本公开属于半导体器件领域，更具体地涉及一种石墨烯晶体管及其制备方法，以及石墨烯晶体管的使用方法及自驱动电子皮肤。
背景技术：
电子皮肤系统是一种利用新材料技术、传感器技术和微机电加工技术制作的能够模仿人体皮肤保护、感知、调节等功能的电子装置或者电子系统。电子皮肤的主要目标是：
1、柔性，可紧密贴合于人体；
2、智能性：可高灵敏度地感应人体活动的信号(温度，血压，脉搏)获得定量化的参数信息；
3、系统性：可对外界环境变化快速响应并做出反馈。
为满足电子皮肤检测环境的高灵敏性与高分辨率和器件集成，基于场效应晶体管(fet)的电子皮肤的研究具有重要意义。基于晶体管的有源矩阵式电子皮肤以其多参数监控、高灵敏性、高分辨率监测和高集成度等优势，在电子皮肤的研发中占据举足轻重的地位，可精确检测温度、压力、应力及多重参数。
然而，在晶体管工作过程中，需要同时施加栅极和漏极电压，尽管有源矩阵的优化设计已极大降低了工作能耗，但由于传统栅极绝缘层材料的限制，有源矩阵式电子皮肤的工作电压大都高于5v，当电子皮肤被穿戴甚至植入人体之后，存在一定的安全隐患和不便利性。
再者，由于传统的可穿戴电子皮肤依赖于外界供电，装有长导线，限制了可移动性的应用。因此，自驱动(不需要持续供电或间歇式充电)的柔性电子皮肤，满足可穿戴便携监测人体活动的重要需要，将会极大地扩展柔性电子皮肤的应用。将机械能转化为电能一般通过压电与摩擦电，其中，将压电纳米发电机应用到基于离子凝胶介电层晶体管中，得到压电自驱动式的电子皮肤被成功开发。但是，基于压电自驱动的电子皮肤的研究还存在一定的问题，一是电子皮肤的有效感应区域集中在纳米发电机部分，不能充分利用阵列空间；二是纳米发电机所提供的电压不能十分有效地用来调控沟道的载流子浓度。因此，开发更加高效的自驱动式电子皮肤是下一步需要解决的问题。
公开内容
基于以上问题，本公开的主要目的在于提出一种石墨烯晶体管及其制备方法、及自驱动电子皮肤，用于解决以上技术问题的至少之一。
为了实现上述目的，作为本公开的一个方面，本公开提出一种石墨烯晶体管，包括基底层、电极层、石墨烯层及离子凝胶介电层，其中：电极层包括形成于基底层同一表面上独立分布的源极和漏极；石墨烯层位于源极和漏极的上表面，且与所述源极和漏极相接触；离子凝胶介电层位于石墨烯层上表面。
在本公开的一些实施例中，上述电极层还包括与源极和漏极位于所述基底层同一侧且独立分布的栅极；该源极位于漏极和栅极之间，石墨烯层与栅极不相接触。
在本公开的一些实施例中，上述离子凝胶介电层与栅极上表面接触。
在本公开的一些实施例中，上述电子皮肤还包括位于离子凝胶介电层上表面的保护涂层；优选地，该保护涂层为含氟涂层。
在本公开的一些实施例中，上述基底层为柔性材料，优选包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。
在本公开的一些实施例中，上述电极层的主体材料包括金属或半导体材料，优选地，半导体材料包括石墨烯。
在本公开的一些实施例中，上述石墨烯层覆盖于源极和漏极的上表面；优选地，石墨烯层的两侧边与源极和漏极的侧边平齐。
在本公开的一些实施例中，上述石墨烯层为单层石墨烯。
在本公开的一些实施例中，上述电极层的厚度范围为40～100nm；离子凝胶介电层的厚度为300～1000μm；保护涂层的厚度为100～300μm。为了实现上述目的，作为本公开的另一个方面，本公开提出一种石墨烯晶体管的制备方法，包括以下步骤：在基底上制备电极层，并将电极层光刻形成独立的源极和漏极；将预先制备的石墨烯层转移至源极和漏极的上表面，石墨烯层与源极和漏极相接触；在所述石墨烯层上制备离子凝胶介电层。
在本公开的一些实施例中，光刻形成独立的源极和漏极时，电极层还光刻形成有栅极，源极位于漏极和栅极之间；栅极的上表面也形成有离子凝胶介电层，且与石墨烯层上表面的离子凝胶介电层为一体结构。
在本公开的一些实施例中，在石墨烯层上制备离子凝胶介电层之后还包括以下步骤：制备保护涂层，并将保护涂层涂覆至离子凝胶介电层的上表面；优选地，该保护涂层为含氟涂层。
在本公开的一些实施例中，上述制备保护涂层的方法包括：疏水纳米粒子溶于四氟呋喃溶液，并加入全氟辛基三乙氧基硅烷及聚二甲基硅氧烷后超声形成溶液a；聚二甲基硅氧烷溶于四氟呋喃溶液，形成溶液b；将溶液a与溶液b混合后超声形成保护涂层。
为了实现上述目的，作为本公开的又一个方面，本公开提出一种上述石墨烯晶体管的使用方法，其中，通过正或负摩擦极性的摩擦材料摩擦离子凝胶介电层或者保护涂层，提供晶体管的栅极电压。
为了实现上述目的，作为本公开的又一个方面，本公开提出一种上述石墨烯晶体管的使用方法，其中，通过正或负摩擦极性的摩擦材料摩擦离子凝胶介电层或者保护涂层，提供晶体管的栅极电压；或者，在栅极施加栅极电压。
为了实现上述目的，作为本公开的又一个方面，本公开提出一种自驱动电子皮肤，包括上述的石墨烯晶体管，离子凝胶介电层或者保护涂层与正或负摩擦极性的摩擦材料的摩擦驱动石墨烯晶体管，产生传感信号。
本公开提出的石墨烯晶体管及其制备方法、及自驱动电子皮肤，具有以下有益效果：
1、本公开的石墨烯晶体管无需外加电极，突破传统石墨烯晶体管的垂直结构，实现了栅极-源漏极-沟道共面的结构，因此空间利用率高；
2、采用离子凝胶介电层作为栅极，形成双电层结构，从而使得晶体管的电容增大，摩擦发电的输出电压高，且单位面积产生的电流变化率高；
3、采用石墨烯作为晶体管的主要材料，开发了适用于摩擦电子学的高效耐用的离子凝胶，并以此构建了自驱动电子皮肤，满足电子皮肤的主要标准：柔性，可紧密贴合于人体；智能性：可高灵敏度地感应人体活动的信号(温度，血压，脉搏)获得定量化的参数信息；系统性：可对外界环境变化快速响应并作出反馈；
4、采用离子凝胶作为栅极实现自驱动，不仅节约能耗，且在离子凝胶介电层上直接摩擦，可有效利用空间，节约材料，使得自驱动电子皮肤结构紧凑、操作电压低、调控精度高且灵敏性高；
5、在离子凝胶上涂覆含氟涂层，不仅利用含氟材料的强吸引电子能力增加电荷密度，而且增加了摩擦发电的输出，提高了离子凝胶介电层的耐久性，使其满足电子皮肤长期使用的要求。
附图说明
图1是本公开一实施例提出的自驱动电子皮肤的结构示意图。
图2(a)～图2(d)是图1中自驱动电子皮肤的工作原理图。
图3是本公开另一实施例提出的自驱动电子皮肤的结构示意图。
图4(a)～图4(d)是图3中自驱动电子皮肤的工作原理图。
图5(a)是实施例1中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的转移曲线。
图5(b)是实施例1中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管在摩擦发电机摩擦下的转移曲线。
图5(c)是实施例1中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的输出曲线。
图5(d)是实施例1中自驱动电子皮肤的摩擦发电机摩擦不同距离时的i-v曲线。
图6(a)是实施例2中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的转移曲线。
图6(b)是实施例2中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的离子凝胶介质层在与正摩擦电极序材料摩擦下的转移曲线。
图6(c)是实施例2中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的输出曲线。
图6(d)是实施例2中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的离子凝胶介质层与正摩擦电极序材料摩擦不同距离时的i-v曲线。
图6(e)是实施例2中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的离子凝胶介质层与正摩擦电极序材料往复摩擦下晶体管电流随时间的变化曲线。
图6(f)是实施例2中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的离子凝胶介质层与正摩擦电极序材料往复摩擦100次后，晶体管电流随时间的变化曲线。
图7(a)是实施例3中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的转移曲线。
图7(b)是实施例3中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的离子凝胶介质层与正摩擦电极序材料摩擦下的转移曲线。
图7(c)是实施例3中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的输出曲线。
图7(d)是实施例3中自驱动电子皮肤石墨烯晶体管的离子凝胶介质层与正摩擦电极序材料摩擦不同距离时的i-v曲线。
图7(e)是实施例3中自驱动电子皮肤石墨烯晶体管的离子凝胶介质层与正摩擦电极序材料往复摩擦下晶体管电流随时间的变化曲线。
图7(f)是实施例3中自驱动电子皮肤中石墨烯晶体管的离子凝胶介质层与正摩擦电极序材料往复摩擦3000次后，晶体管电流随时间的变化曲线。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
2012年，鉴于摩擦起电和静电感应的耦合作用、可将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机问世了。摩擦发电机(teng)是利用两种摩擦电极性不同的材料相接触后在表面生成摩擦电荷，分离时会产生电势差从而在外界电路上形成了电流输出。
摩擦发电机还可以与传统场效应晶体管结合得到接触起电场效应晶体管，基于此发展了摩擦电子学。在场效应晶体管中，半导体层导电通道宽度与载流子浓度受施加栅电压控制，从而调节源漏极电流。而在摩擦电子学中，teng代替栅电压来调节器件源漏极电流，实现了有外界环境的机械能直接控制源漏极电流。由于场效应晶体管用于电子皮肤可实现高灵敏性、高精确性的人体活动监测，因此，摩擦发电机与晶体管结合的摩擦纳米电子学应用于电子皮肤，在场效应晶体管的优势上增加了自驱动、精确可控性和集成化的新的优势，可用于个人医疗与人机交互。例如，基于摩擦纳米发电机驱动的、可穿戴自驱动的仿生膜具有质轻，低成本，易制备、多官能等优点。
为弥补目前电子皮肤对外部电压的高能耗需求，并且为未来开发安全可靠的自驱动植入式器件提供理论与实践基础，本公开将研究利用摩擦纳米发电机产生的静电势来驱动的双电层晶体管及其基本逻辑器件的电学和感应性能，并以此为基础开发基于摩擦电子学的自驱动式电子皮肤。因此，本申请开发的电子皮肤在人体健康治疗和人机交互反馈领域将有明显的创新性。
因此，如图1所示，本公开提出一种石墨烯晶体管，包括基底层101、电极层、石墨烯层105及离子凝胶介电层106，其中：电极层包括形成于基底层同一表面上独立分布的源极103和漏极102；石墨烯层105位于源极103和漏极102的上表面，其两侧边分别与源极103和漏极102的侧边平齐；离子凝胶介电层106位于石墨烯层105上表面。
在本公开的一些实施例中，上述电极层还包括与源极103和漏极102位于基底层101同一侧且独立分布的栅极104，该源极103位于漏极102和栅极104之间；同时离子凝胶介电层106与栅极104上表面接触。因此，本公开的石墨烯晶体管无需外加电极，突破传统石墨烯晶体管的垂直结构，实现了栅极-源漏极-沟道共面的结构，因此空间利用率高。
基于上述石墨烯晶体管，本公开还提出一种石墨烯晶体管的制备方法，包括以下步骤：在基底上制备电极层，并将电极层光刻形成独立的源极和漏极；将预先制备的石墨烯层转移至源极和漏极的上表面，石墨烯层与源极和漏极相接触；在石墨烯层上制备离子凝胶介电层。
在本公开的一些实施例中，上述在基底上制备电极层的步骤中，电极层还光刻形成有栅极，源极位于漏极和栅极之间；在石墨烯层上制备离子凝胶介电层的步骤中，栅极的上表面也形成有离子凝胶介电层，且与石墨烯层上表面的离子凝胶介电层为一体结构。
在本公开的一些实施例中，上述石墨烯层覆盖于源极和漏极的上表面，优选地，石墨烯层的两侧边分别与源极和漏极的侧边平齐，从而可形成良好的接触，提高石墨烯晶体管的性能。
在本公开的一些实施例中，离子凝胶介电层的上表面还形成有保护涂层，优选为含氟涂层，从而不仅利用含氟材料的强吸引电子能力增加电荷密度，而且增加了摩擦发电的输出，提高了离子凝胶介电层的耐久性，使其满足电子皮肤长期使用的要求。
如图1所示，基于上述石墨烯晶体管，在本公开的一些实施例中，还提出一种自驱动电子皮肤，包括摩擦发电机，以及上述的石墨烯晶体管，摩擦发电机中两个摩擦层的任一与栅极104连接，自驱动电子皮肤通过摩擦发电机的两个摩擦层201、202摩擦驱动。其中，摩擦发电机中两个摩擦层201、202的厚度约为300～1000μm，长度约为2～5cm。以此构建的自驱动电子皮肤，满足电子皮肤的主要标准：柔性，可紧密贴合于人体；智能性：可高灵敏度地感应人体活动的信号(温度，血压，脉搏)获得定量化的参数信息；系统性：可对外界环境变化快速响应并做出反馈。
自驱动电子皮肤通过摩擦发电机的两个摩擦层201、202摩擦驱动，也可以采用其他电源连接栅极104来为石墨烯晶体管提供栅极电压。或者，通过正或负摩擦极性的摩擦材料摩擦离子凝胶层或者保护涂层，提供晶体管的栅极电压。
在本公开的一些实施例中，上述基底层为柔性材料；优选为柔性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。
在本公开的一些实施例中，上述电极层的主体材料包括金属或半导体材料，该半导体材料包括石墨烯。
在本公开的一些实施例中，制备石墨烯晶体管的方法中，还可包括在铜箔的上表面沉积石墨烯层的步骤，具体包括：将清洗干燥后的铜箔放入真空石英管，向真空石英管通入氢气，高温加热一段时间后，在通入氢气的同时通入甲烷气体，反应生成石墨烯并逐渐沉积至铜箔的上表面，得到石墨烯层。
在本公开的一些实施例中，制备石墨烯晶体管的方法中，在石墨烯层上制备离子凝胶介电层的步骤包括：采用质量比为90∶8∶2的1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺、聚乙二醇双丙烯酸酯单体与2-羟基-2甲基丙苯酮混合溶液及光引发剂2甲基丙苯酮混合形成离子凝胶液体；在石墨烯层的上表面加入离子凝胶液体，在紫外光下掩膜曝光后形成离子凝胶介电层。
在本公开的一些实施例中，基底层的厚度大约为5mm，长为1～3cm；源、漏、栅极(也就是电极层)的厚度约为40～100nm；离子凝胶介电层的厚度约为300～1000μm，长度约为2～5mm。
本公开采用透明且高韧性且电性能优越的单层石墨烯作为晶体管的主要材料，开发适用于摩擦电子学的高效耐用的离子凝胶并选择优化相应的摩擦材料，以此构建摩擦电子学基于石墨烯双电层晶体管(gfet)。本发明中，石墨烯层中优选采用单层的石墨烯层。
如图2(a)～图2(d)所示，以包括接触分离式摩擦发电机(并不以此为限，该摩擦发电机还可为其他任何类型结构)的自驱动电子皮肤为例，对自驱动电子皮肤的具体工作原理进行详细说明，在接触分离式的摩擦发电机中，不同摩擦电极性(正摩擦电极序材料与负摩擦电极序材料)的介电层材料进行接触时，表面分别感应出相反的电荷；由于静电平衡，不产生电荷流动，对晶体管不产生影响(如图2(a)及图2(c))。当负摩擦电极序材料201与正摩擦电极序材料202离开较小的距离，需要克服静电吸引作用，产生电势差。如图2(b)所示，当正摩擦电极序材料202与栅极104相连时，为了平衡正摩擦电极序材料表面的负电荷，栅极104感应负电荷，离子凝胶介电层106成为双电层。栅极104/离子凝胶介电层106界面，离子凝胶介电层106/石墨烯层105界面分别有负、正离子定向排布。由于离子凝胶介电层106/石墨烯层105界面的定向的负离子，相当于为石墨烯层105提供负的栅压，导致石墨烯的费米能级下降。如图2(d)所示，当正摩擦电极序材料201与栅极106相连时，为了平衡正摩擦电极序材料表面的正电荷，栅极104感应负电荷，离子凝胶介电层106成为双电层。栅极104/离子凝胶介电层106界面，离子凝胶介电层106/石墨烯层105界面分别有正、负离子定向排布。由于离子凝胶介电层106/石墨烯层105界面的定向的正离子，相当于为石墨烯提供正的栅压，导致石墨烯的费米能级上升。
如图3所示，本公开还提出一种石墨烯晶体管。该石墨烯晶体管与图1所示的石墨烯晶体管的区别在于：将离子凝胶介电层作为栅极。请参照图3，该石墨烯晶体管包括基底层101、电极层、石墨烯层105及离子凝胶介电层106，其中：电极层包括形成于基底层同一表面上独立分布的源极103和漏极102；石墨烯层105位于源极103和漏极102的上表面，其两侧边分别与源极103和漏极102的侧边平齐；离子凝胶介电层106位于石墨烯层105上表面；上述石墨烯晶体管还包括位于离子凝胶介电层上表面的保护涂层107；优选地，该保护涂层107为含氟涂层。
在晶体管的使用中，通过正或负摩擦极性的摩擦材料摩擦离子凝胶层或者保护涂层，提供晶体管的栅极电压。
对于电极层中包括栅极104的石墨烯晶体管，可以通过摩擦发电机的两个摩擦层201、202摩擦的摩擦电压提供栅极电压，也可以采用其他电源如直流电源连接栅极104来为石墨烯晶体管提供栅极电压。或者，通过正或负摩擦极性的摩擦材料摩擦离子凝胶层或者保护涂层，提供晶体管的栅极电压。
本公开采用离子凝胶作为栅极实现自驱动，不仅节约能耗，且在离子凝胶上直接摩擦，可有效利用空间，节约材料，使得自驱动电子皮肤结构紧凑、操作电压低、调控精度高且灵敏性高。
在本公开的一些实施例中，上述石墨烯晶体管的制备方法具体可包括以下步骤：步骤1、在铜箔的上表面沉积石墨烯层；步骤2、在基底上制备电极层，并将电极层光刻形成独立的源极和漏极；步骤3、在石墨烯层上旋涂甲基丙烯酸甲酯的氯苯溶液后溶解掉铜箔，将石墨烯层转移至源极和漏极的上表面，并洗掉甲基丙烯酸甲酯的氯苯溶液；步骤4、在石墨烯层上制备离子凝胶介电层；并在离子凝胶介电层上制备保护涂层，并将保护涂层涂覆至离子凝胶介电层的上表面。其中，将石墨烯层转移至源极和漏极的上表面时，石墨烯层的两侧边分别与所述源极和漏极的侧边平齐。上述保护涂层优选为含氟涂层。
在本公开的一些实施例中，上述制备保护涂层的方法包括：疏水纳米粒子溶于四氟呋喃溶液，并加入全氟辛基三乙氧基硅烷(fas)及聚二甲基硅氧烷后超声形成溶液a；聚二甲基硅氧烷溶于四氟呋喃溶液，形成溶液b；将溶液a与溶液b混合后超声形成保护涂层。优选地，该保护涂层的厚度约为100～300μm，长度约为2～5mm。
在离子凝胶上涂覆含氟涂层，不仅利用含氟材料的强吸引电子能力增加电荷密度，而且增加了摩擦发电的输出，提高了离子凝胶介电层的耐久性，使其满足电子皮肤长期使用的要求。
如图4(a)或图4(c)所示，当负/正摩擦电极序材料201接触离子凝胶介电层上的保护涂层107，由于两者摩擦电极序不同，表面分别带有负正电荷；此时因为处于电荷平衡，离子凝胶介电层106和石墨烯层105没有发生电荷移动，没有电流。如图4(b)所示，当负摩擦电极性材料201与保护涂层107分离时，为了平衡保护涂层107表面的正电荷，保护涂层107与离子凝胶介电层106接触面的电子移动向表面，由于静电感应，吸引离子凝胶介电层106的离子液体中带负电荷的离子，使得离子凝胶介电层106与保护涂层107接触的界面留下负电荷。而离子凝胶介电层106中带正电的离子移向石墨烯层105/离子凝胶介电层106界面，形成双电层(即亥姆霍兹面)。由于离子凝胶介电层106/石墨烯层105界面定向的正离子，相当于为石墨烯层提供正的栅压，导致石墨烯的费米能级上升。
如图4(d)所示，当正摩擦电极序材料201与离子凝胶介电层106上的保护涂层107分离时，为了平衡保护涂层107表面的负电荷，保护涂层107与离子凝胶介电层106的接触界面的空穴移动向表面，由于静电感应，吸引离子凝胶介电层106中带正电荷的离子，使得保护涂层107与离子凝胶介电层106的接触界面留下正电荷。而离子凝胶介电层106中带负电的离子移向石墨烯层105/离子凝胶介电层106界面，形成双电层(即亥姆霍兹面)。由于离子凝胶介电层106/石墨烯层105界面的定向的负离子，相当于为石墨烯提供负的栅压，导致石墨烯的费米能级下降。
基于上述的石墨烯晶体管，本公开还提出一种自驱动电子皮肤，晶体管的离子凝胶介质层或者保护涂层与正或负摩擦极性的摩擦材料的摩擦提供栅极电压驱动所述晶体管，产生传感信号。
在本公开的一些实施例中，提出基于摩擦电子学双电层石墨烯晶体管的自驱动电子皮肤的制备方法，其制备的详细步骤如下：
步骤a、化学气相沉积制备单层石墨烯；
铜箔(10cm×10cm，25μm，sigma)先用食人鱼(piranha)溶液(h2so4与h2o2的混合溶液)清洗15min后，将铜箔浸泡在去离子水中，用氮气干燥。然后将其加入排尽空气的石英管，当石英管内压达到5×10-3torr时，通入h2，同时将石英管加热到1000℃，持续30min后，在连续通入h2(流速10sccm)时，通入流速为5sccm的ch4气体，使得石墨烯连续地增长。30min后，停止通入ch4，石英管在h2流中冷却到室温，得到铜箔上生长的石墨烯。
步骤b、制备电极层；
基底(硅片或pet)分别在丙酮、异丙醇与去离子水中超声清洗5min，用热蒸镀的方法镀50nm金层，用紫外曝光机光刻金层，形成包括源极和漏极和/或栅极的金属层。
步骤c、制备石墨烯半导体层；
在铜箔上生长的石墨烯上旋涂甲基丙烯酸甲酯(pmma)的氯苯溶液，背面做等离子体刻蚀去掉背面的石墨烯后，浸泡在过硫酸铵中3h溶解掉铜。将完全溶解掉铜的pmma/石墨烯层转移到基底上，用丙酮洗掉石墨烯上的pmma，用紫外曝光机光刻石墨烯层，使石墨烯层的两侧边分别与源极和漏极的侧边平齐。
步骤d、制备离子凝胶栅极双电层；
离子凝胶液体由离子液体1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺([emim][tfsi])、单体聚乙二醇双丙烯酸酯单体(pegda)和2-羟基-2甲基丙苯酮的混合溶液、光引发剂2甲基丙苯酮(hompp)以质量比90∶8∶2混合而成。
用透明胶带在基底围成槽状，中间加入离子凝胶，在紫外光下，用掩模版曝光10秒。紫外光下，引发剂hompp产生自由基与丙烯酸酯反应，引发单体peg-da聚合；未透光的部分没有聚合反应，可用去离子水洗掉。
步骤e，制备并涂覆保护涂层
保护涂层的制备：常温下，5ml原硅酸四乙酯(teos)与(0.5ml～2ml)的全氟辛基三乙氧基硅烷(fas)分散于25ml乙醇中，向此溶液中逐步滴加含有6ml28％氨水的25ml乙醇溶液，以500～700rpm/s的转速剧烈搅拌10小时，得到疏水溶胶液。离心后真空干燥，得到疏水纳米粒子；
0.9g的疏水纳米粒子溶于20-40ml的四氟呋喃(thf)，再加入0.6～1.5g的全氟辛基三乙氧基硅烷(fas)及0.4～0.8g的聚二甲基硅氧烷(pdms)，超声1小时，形成溶液a；0.04-0.08g、型号为sylgardl84的pdms固化剂溶于20～40ml的thf中形成溶液b。使用时，将溶液a、b混合，超声15～30min，涂覆在离子凝胶介电层表面，在60℃温度下2～3h后形成保护涂层。
本实施例有两种形式的摩擦来为晶体管提供栅电压：(1)外加摩擦发电机提供栅电压(电极层包括栅极)，(2)离子凝胶介电层作为摩擦层提供栅电压(电极层不包括栅极)；需要注意的是：第一种情况，离子凝胶介电层可以不用涂覆保护涂层，第二种情况需要涂覆保护涂层。
本公开通过外加摩擦发电机提供栅电压时，可探究摩擦电子学应用于双电层栅介质晶体管的灵敏性与精确性，为电子皮肤的智能性与系统性提供基础与保障；离子凝胶作为摩擦层提供栅电压时，为电子皮肤的集成性提供基础与保障；优选，采用pet作为柔性基底的摩擦发电机驱动晶体管的性能，为电子皮肤的贴合性、可穿戴性提供了基础与保障。
在本公开的一些实施例中，基于石墨烯的半-金属(semi-metallic)特性，它不仅能用作晶体管的沟道材料，也可以作为栅极和源、漏极，可以将电极层换为石墨烯电极，可简化工艺。
在本公开的一些实施例中，基于摩擦电子学双电层石墨烯晶体管的自驱动电子皮肤，摩擦层包括摩擦电极序较正的材料，如铜箔、铝箔、尼龙、丝绸和/或羊毛；摩擦电极序较负的材料，包括聚四氟乙烯、聚氟乙烯(pvc)、聚二甲基硅氧烷(pdms)和/或聚酰亚胺。
本发明提供的石墨烯晶体管，所述离子凝胶介质层或者保护涂层与正或负摩擦电极材料的摩擦可以提供栅极电压驱动所述晶体管，产生传感信号，可以作为自驱动电子皮肤应用在智能传感领域。以下通过具体实施例，对本公开提出的石墨烯晶体管及其制备方法、及自驱动电子皮肤进行详细描述。
实施例1
本实施例提出一种通过石墨烯晶体管的电性能与外加摩擦发电机(开路电压为2v)提供栅电压的自驱动电子皮肤。
石墨烯晶体管包括基底层、电极层、石墨烯层及离子凝胶介电层，其中：电极层包括形成于基底层同一表面上独立分布的源极、漏极和栅极，源极位于漏极和栅极之间；石墨烯层位于源极和漏极的上表面，其两侧边分别与源极和漏极的侧边平齐；离子凝胶介电层位于石墨烯层和栅极的上表面，且部分的离子凝胶介质层与栅极接触。
将摩擦发电机固定在精确定位的位移台上，并将摩擦发电机的输出端分别与晶体管的栅极与接地端相连。初始，摩擦发电机的两个接触摩擦层完全接触，通过程序控制位移台按设计好的位移量等距离移动，使得摩擦发电机的两个接触摩擦层等距离地分离。
如图5(a)所示，为石墨烯晶体管在不同源漏电压下的转移曲线，曲线呈近似的抛物线形状，表明石墨烯为双极传输特征；且操作电压仅仅为2v就可以调控，表明离子凝胶介电层较大的电容降低了操作电压。
如图5(b)所示，为摩擦发电机以聚四氟乙烯(ptfe)与铜作为摩擦材料，ptfe接地，铜与石墨烯晶体管的栅电极接触，在逐步改变摩擦发电机的摩擦接触层之间的距离时，石墨烯晶体管的转移曲线(vds＝0.1v)，可知漏极电流(draincurrent，id)逐步变化，表明摩擦发电机可以作为栅极很好地为晶体管提供栅电压。且摩擦发电机两个摩擦接触层之间的距离增大，摩擦发电机电势越大，对晶体管施加的栅电压越大。根据图2(b)的原理图，当摩擦电极序为正的铜与石墨烯晶体管的栅电极接触时，相当于给晶体管施加负的栅电压，随着距离增大，负的栅压的增大，促使石墨烯沟道中空穴浓度增大，id也随之增大。
如图5(c)所示，为石墨烯晶体管在不同栅极电压下的输出曲线。从图中曲线可知，漏电流id与漏极电压vds呈现较好的线性关系，表明石墨烯层与源极、漏极之间接触较好。同时，id的绝对值随着栅电压vg绝对值的增加而增加，表明栅电压越大对晶体管载流子传输的调控越明显。
如图5(d)所示，测得擦发电机的两个接触摩擦层之间摩擦不同距离时，晶体管的输出曲线。初始时刻，摩擦发电机的接触摩擦层完全接触，由于摩擦电负性不同，表面分别感应出相反的电荷。但由于电荷平衡，没有为晶体管提供栅电压，因此晶体管的id较低。当这两个表面离开较小的距离50μm，晶体管的id提高。为了平衡表面电荷，产生电荷移动，产生电势差，由于摩擦发电机的输出端分别与晶体管的栅极与接地端相连，因此，摩擦发电机为晶体管提供栅电压。将图5(d)与图5(c)相比发现，曲线变化趋势一致，栅电压变化步距、距离变化100μm与栅压绝对值变化0.05v一致。图5(d)中曲线表明id与vds之间呈现较好的线性关系，id随着摩擦发电机两个摩擦接触层相对移动距离的增加而增加，表明摩擦发电机可以作为栅极很好地为晶体管提供栅电压，距离增大，由摩擦发电机产生的静电势越大，对晶体管施加的栅电压越大，对晶体管载流子传输的调控越明显。
将以上摩擦性质和电性质比较表明：此基于摩擦电子学的双电层晶体管具有稳定性，满足自驱动式电子皮肤的实际要求。
实施例2
为实现摩擦电子学与双电层栅介质晶体管的集成化，本实施例提出一种自驱动电子皮肤，包括摩擦材料和石墨烯晶体管，让离子凝胶介电层作为摩擦层之一与正或负摩擦极性的摩擦材料进行接触分离，为晶体管提供栅电压。分别选不同摩擦电负性为正、负的摩擦材料。
石墨烯晶体管包括基底层、电极层、石墨烯层、离子凝胶介电层及保护涂层，其中：电极层包括形成于基底层同一表面上独立分布的源极和漏极；石墨烯层位于源极和漏极的上表面，其两侧边分别与源极和漏极的侧边平齐；离子凝胶介电层位于石墨烯层的上表面；保护涂层位于石墨烯层的上表面。
通过摩擦材料与保护涂层的接触分离，使得离子凝胶介电层作为双电层，使得离子凝胶介电层与石墨烯层之间的界面聚集正/负离子，从而向石墨烯晶体管提供栅电压，其中，基底层采用硅片。
如图6(a)～图6(f)示出了摩擦材料直接与离子凝胶摩擦，石墨烯晶体管的响应信号。晶体管(源漏极用银浆引出导线，导线连在半导体测试仪上)与摩擦材料分别固定在精确定位的位移台的相对的两个面。初始，摩擦材料铜与离子凝胶完全接触，通过程序控制位移台按设计好的位移量等距离移动，使得摩擦材料与离子凝胶介电层等距离地分离。
如图6(a)示出了石墨烯晶体管在不同源漏电压下的转移曲线，曲线呈近似的抛物线形状，表明石墨烯为双极传输特征；且操作电压仅仅为2v就可以调控，表明离子凝胶介电层较大的电容降低了操作电压。
如图6(b)是用摩擦电极序为正的铜作为摩擦材料摩擦离子凝胶介质层时，石墨烯晶体管的转移曲线(此处漏电压设为vds＝0.1v)，从图中可看出，逐步改变摩擦材料与石墨烯晶体管之间的距离，id逐步变化，表明离子凝胶介电层可以作为栅极很好地为晶体管提供栅电压，且摩擦材料与石墨烯晶体管之间的距离增大，摩擦产生的电势越大，对晶体管施加的栅电压越大，而由于石墨烯是空穴传输，随着负的栅压的增大，id增大；且从图中可看出，摩擦材料与石墨烯晶体管之间的距离改变量相同时，id的变化量δid一样，表明该电子皮肤的稳定性较好。这是因为铜在摩擦电极性顺序中排在正端，与离子凝胶介电层接触，失去电子，使得离子凝胶介电层与保护涂层的界面上带负电荷，使得离子凝胶介电层与石墨烯层之间的界面感应负电荷，相当于给石墨烯晶体管施加负栅压，由于石墨烯是p型，空穴传输胜于电子传输，因此，摩擦材料与石墨烯晶体管之间的距离增大，输出电流上升。
如图6(c)示出了石墨烯晶体管在不同栅极电压下的输出曲线，图中曲线表明id与vds呈现较好的线性关系，表明石墨烯与源漏极之间的接触较好。同时，id的绝对值随着vg绝对值的增加而增加。表明栅电压越大对晶体管载流子传输的调控越明显。
图6(d)示出了摩擦材料与石墨烯晶体管之间具有不同距离时，晶体管的输出曲线。开始，摩擦材料与石墨烯晶体管完全接触，由于摩擦电负性不同，表面分别感应出相反的电荷。但由于电荷平衡，没有为晶体管提供栅电压，因此晶体管的id较低。当这两个表面离开较小的距离50μm，晶体管的id提高。为了平衡表面电荷，产生电荷移动，产生电势差，由于摩擦发电机的输出端分别与晶体管的栅极与接地端相连，因此，摩擦发电机为晶体管提供栅电压。比较图6(d)与图6(c)发现，曲线变化趋势一致，栅电压的变化步距、摩擦材料与石墨烯晶体管之间的距离每变化100μm与栅压绝对值每变化0.05v的趋势一致(图中d1至d7的值代表距离，每一间隔增加100μm)，表明id与vds呈现较好的线性关系，id随着摩擦材料与石墨烯晶体管距离的增加而增加，表明离子凝胶介质层作为栅极能够很好地为晶体管提供栅电压，且摩擦材料与石墨烯晶体管之间距离增大，由摩擦发电机产生的静电势越大，对晶体管施加的栅电压越大，对晶体管载流子传输的调控越明显。
如图6(e)示出了摩擦层与石墨烯晶体管在往复的接触分离下，晶体管的ids随时间的变化曲线，其中vds＝0.1v，由图可见，随着摩擦层与石墨烯晶体管之间的反复接触分离，id随着时间的变化稳定。
如图6(f)示出了反复接触分离1000次后id随着时间变化曲线。由于离子凝胶介电层的机械强度不够理想，耐磨性差，影响其长期使用，因此为克服这一缺点，本实施例在离子凝胶上涂覆保护涂层，来增加离子凝胶介电层的强度和稳定性。从图6(f)中可看出，经过1000次反复接触分离后，曲线仍然保持稳定，id峰值随反复次数的增加变化不大。表明此基于摩擦电子学双电层晶体管的公开具有稳定性，满足自驱动式电子皮肤的实际要求。
实施例3
本实施例提出一种自驱动电子皮肤，该自驱动电子皮肤与实施例2的唯一区别仅在于，本实施例的基底层采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)。
由于电子皮肤实际应用于人体，为适应人体表面形状要求，柔性是电子皮肤的主要目标之一。本实施例为实现电子皮肤的实际应用，采用柔性基底pet。
图7(a)示出了pet衬底上，石墨烯晶体管在不同源漏电压下的转移曲线，从图中可以看出，曲线呈近似的抛物线形状，表明石墨烯为双极传输特征；且操作电压仅仅为2v就可以调控，表明离子凝胶栅极介电层较大的电容降低了操作电压。
图7(b)示出了pet衬底上，摩擦电极序为正的铜作为摩擦材料摩擦石墨烯晶体管下，晶体管的转移曲线(此时漏电流vds＝0.1v)，从图中可看出，逐步改变摩擦层与石墨烯晶体管之间的距离，id逐步变化，表明离子凝胶介电层可以作为栅极很好地为晶体管提供栅电压，且距离增大，摩擦发电产生的电势越大，对晶体管施加的栅电压越大。由于摩擦电极序为正的材料摩擦离子凝胶相当于提供负的栅压，而石墨烯是空穴传输，随着负的栅压的增大，id增大。摩擦层与石墨烯晶体管之间的距离改变量相同时，id的变化量δid一样，表明稳定性较好。
图7(c)示出了pet衬底上，石墨烯晶体管在不同栅极电压下的输出曲线。图中曲线表明id与vds之间呈现较好的线性关系，表明石墨烯与源漏极之间接触较好。同时，id的绝对值随着vg绝对值的增加而增加，表明栅电压越大对晶体管载流子传输的调控越明显。
图7(d)示出了pet衬底上，摩擦层与石墨烯晶体管之间不同距离下，晶体管的输出曲线，比较7(d)与图7(c)发现，曲线变化趋势一致，且栅电压变化步距、摩擦层与石墨烯晶体管之间距离变化100μm与栅压绝对值变化0.5v的趋势一致(图中d1至d4的值代表距离，每一间隔增加100μm)。即图中曲线表明id与vds之间呈现较好的线性关系，id随着距离的增加而增加，表明离子凝胶介电层可以作为栅极很好地为晶体管提供栅电压，且摩擦层与石墨烯晶体管之间的距离增大，摩擦产生的电势越大，对晶体管施加的栅电压越大，对晶体管载流子传输的调控越明显。
图7(e)示出了pet衬底上，摩擦层与石墨烯晶体管往复接触分离下，晶体管的ids随时间的变化曲线，其中vds＝0.1v。由图可知，摩擦层与石墨烯品体管反复接触分离时，id随着时间的变化稳定。
图7(f)示出了pet衬底上，摩擦层与石墨烯晶体管往复接触分离1000次后，id随着时间的变化曲线，从图中可看出，经过3000次循环后，曲线保持稳定，id峰值随循环次数增加变化不大。表明此基于摩擦电子学双电层晶体管的公开具有稳定性，满足自驱动式电子皮肤的实际要求。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。