中科院北京纳米能源所孙其君研究员Research：面向智能织物的纤维基摩擦电化学晶体管新进展

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近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙其君课题组报道了一种具有良好电学性能的纤维状摩擦电化学晶体管，利用织物摩擦纳米发电机产生的摩擦电势成功耦合到纤维状电化学晶体管的导电沟道，从而诱导可逆的掺杂/脱掺杂过程，并通过离子凝胶电介质调节输出电流，获得了较高的电流开关比（~ 1286）、~nA量级的关态电流以及良好的灵活性和稳定性。在柔性、功能化、智能化的自供电电子纺织品中有很大的应用潜力。该成果以 “Fiber-shaped Triboiontronic Electrochemical Transistor”为题发表在Research上 (Research, 2021, 9840918)。

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研究背景

通过摩擦电纳米发电机（TENG）可以很容易地获取接触起电诱导的摩擦电势，这为调节半导体器件的电子输运特性提供了一种有效的方法。在机械行为衍生的多功能应用方向发展出了：逻辑器件、多功能传感器件、摩擦电子存储器、智能柔性/可穿戴传感器、触觉传感人工突触和机械塑性神经形态器件等。聚合物电解质、离子液体和离子凝胶等作为栅极绝缘体材料，可以实现在较低栅极电压下对短沟道效应的抑制，并有效降低器件功耗。通过在电解质/半导体界面上形成的双电层（EDL），形成了极强的界面电场实现对半导体器件的高效调控。离子凝胶已经在基于MoS₂的摩擦离-电学晶体管中得到了成功的验证，显示出优异的电学性能，包括7个数量级的电流开关比，摩擦调制阈值 75 μm、 摩擦亚阈值摆幅 20 μm/dec。

与双电层晶体管不同，有机电化学晶体管（OECT）可以更有效地利用离子注入，离子可以穿透半导体层，使得整个沟道中掺杂状态的改变。到目前为止，用于OECT的最有希望的材料之一是低带隙导电聚合物PEDOT，它具有高导电性、环境稳定性和以PEDOT：PSS形式存在的水分散性等优势。与传统的电化学晶体管相比，纤维状的OECT由于具有空气稳定性好、驱动电压低、与柔性衬底兼容、成本低等优点而备受关注。然而，目前主流的柔性/可穿戴纤维电子器件和基于OECT的器件通常都是由电信号调制的，外部环境与电子器件之间缺乏直接的相互作用。此外，实现智能电子纺织品的一个关键步骤是使功能部件的制造过程与纺织品生产工艺兼容。纤维状OECT将功能性纤维与逻辑晶体管器件相结合，实现了导电聚合物在纤维结构中掺杂/脱掺杂的可逆过程，为电子器件直接织入织物提供了一条更简单的途径，并能够促进它们与TENG织物的集成。

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研究进展

在这里，提出了一种具有编织结构的TENG织物调控的纤维状摩擦电化学晶体管，如图1所示。TENG产生的摩擦电势可以耦合到纤维状OECT的PEDOT:PSS通道，从而诱导可逆的掺杂/脱掺杂过程，并通过离子凝胶电介质调节输出电流。

图1  纤维摩擦电化学晶体管示意图

在耗尽模式下工作的纤维状OECT具有良好的电学性能：电流开关比高达4000，栅极漏电流小于4.2 nA，良好的弯曲和循环稳定性（图2）。纤维状摩擦OECT也显示出相当的性能，包括高电流开关比 (≈1286）、低关态电流、阈值位移（0.3 mm）和低摩擦电亚阈值摆幅（~1.6 mm/dec），如图3所示。

图2  纤维状OECT的电学特性

图3  纤维摩擦OECT电学性能表征和工作机制

通过编织结构的TENG进行栅极驱动，它还可以很容易地集成到纤维或纺织阵列中，有望实现一种灵活的、功能强大、智能的自供电电子纺织品。在此基础上，实现了基于纤维状摩擦电化晶体管逻辑反相器，可用于控制LED的开关状态（图4）。

图4  基于纤维状摩擦OECT的逻辑反相器‎

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未来展望

基于纤维状摩擦电化晶体管的自供电电子纺织品，可以直接利用TENG织物的摩擦电势来调节导电聚合物中的掺杂/脱掺杂，首次实现了在电化学晶体管中实现了机械作用和电化学反应的有效结合。这对于智能自供电设备和可穿戴式人机界面领域具有广阔的应用前景。

原文链接

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9840918/

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