柔性透明摩擦电子学晶体管及其制备方法与流程

本发明涉及柔性电子学技术领域，尤其涉及一种柔性透明摩擦电子学晶体管及其制备方法。

背景技术：

在过去的几年中，柔性透明电子器件由于其便携、抗疲劳、质量轻且不易损坏的特点，受到了越来越多的关注，在可穿戴电子、智能皮肤、可弯曲显示屏和人机交互界面等具有很大的应用前景。

作为柔性透明电子学器件的重要组成部分，有机薄膜晶体管不但与柔性透明基底具有优异的兼容性，制备成本低，而且可大面积生产，可适用于工业化生产且可用于有机柔性显示、内存组件、移位寄存器和智能传感器等。因此吸引了国内外各大公司和科研机构的资源投入对其进行深入研究。在我们日常生活中，电子器件无处不在，已经成为人们生活中不可分割的一部分。长久以来，电子器件的调控主要是通过调控电路中的电容或者电阻。这种被动式的调控方式缺乏人机交互体验且不利于实现在柔性弯曲界面的调控。

近年来，王中林教授研究组发明了摩擦发电机，其原理基于摩擦生电和静电感应现象，将两种镀有金属电极的高分子聚合物薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致两层聚合物膜之间发生相互摩擦，两种聚合物具有不同的得失电子能力，从而产生电荷分离并形成电势差，两个金属极板通过静电感应在表面生成感应电荷，感应电荷在摩擦电电势的驱动下流经外电路即可形成电流。摩擦发电机不仅可以用于各种自驱动系统，而且可以用于摩擦电控制器件。2014年，利用摩擦发电机产生的静电势作为门电压来调控半导体中载流子输运特性的摩擦电子学首次被提出。

到目前为止，摩擦电子学已经在逻辑电路、有机LED、有机存储、智能触碰开关和光电晶体管中得到应用。由于摩擦电子学器件的优异性能，其在柔性电子学和人机交互中潜在应用价值逐渐被大家所关注，成为目前电子学研究的热点。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种柔性透明摩擦电子学晶体管及其制备方法，以提供一种具有柔性性能和透明性能的电子学器件。

(二)技术方案

本发明柔性透明摩擦电子学晶体管包括：柔性衬底10、薄膜晶体管20和摩擦发电机30。其中，薄膜晶体管20形成于柔性衬底10的第一表面。摩擦发电机30包括：并排的第一电极31和第二电极32，形成于柔性衬底的第二表面，两者相互绝缘；可移动摩擦部33，与第一电极31和第二电极32相对设置，其在外力作用下可在第一电极31和第二电极32之间滑动，从而在两者之间形成电势差，通过该电势差实现对薄膜晶体管的开关控制。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种制备方法。该制备方法用于制备上述的柔性透明摩擦电子学晶体管，包括：步骤A，在柔性衬底10的第二表面形成摩擦发电机的并排的第一电极31和第二电极32；步骤B，在柔性衬底10的第一表面形成薄膜晶体管；步骤C，令摩擦发电机的第一电极31连接至有机薄膜晶体管的源极23或漏极25，第二电极32连接至有机薄膜晶体管的栅极21；以及步骤D，制备摩擦发电机的可移动摩擦部，令其在外力作用下可在第一电极31和第二电极32之间滑动，从而在两者之间形成电势差，通过该电势差实现对薄膜晶体管的开关控制。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明柔性透明摩擦电子学晶体管及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)提供了一种新颖的柔性透明摩擦电子学晶体管，可以利用滑动式摩擦纳米发电机可以实现主动式和连续性地调控；

(2)具有良好的柔性性能，在弯曲状态下可以稳定工作，在可穿戴电子设备、智能皮肤、可弯曲显示屏和人机交互界面等领域具有很大的应用前景；

(3)具有较高的透明度，这在某些特定领域具有潜在的应用价值；

(4)具有制备工艺简单，成本低等优点，适合工业化生产。

附图说明

图1A为根据本发明实施例柔性透明摩擦电子学晶体管的立体图；

图1B为图1A所示柔性透明摩擦电子学晶体管的剖面示意图；

图2为根据本发明实施例柔性透明摩擦电子学晶体管制备方法的流程图；

图3为图1A和图1B所示柔性透明摩擦电子学晶体管的工作原理图；

图4为图1A和图1B所示摩擦层滑动距离与柔性透明摩擦电子学晶体管源漏电流之间的关系；

图5为图1A和图1B所示柔性透明摩擦电子学晶体管在某一特定弯曲半径下的输出特性；

图6为图1A和图1B所示柔性透明摩擦电子学晶体管的光透过性能曲线；

图7为图1A和图1B所示柔性透明摩擦电子学晶体管主动式调控电子器件的电路图；

图8为图1A和图1B所示柔性透明摩擦电子学晶体管主动式调控电子器件的实验结果。

【主要元件】

10-柔性衬底；

20-薄膜晶体管；

21-栅极； 22-栅绝缘层； 23-半导体层；

24-源极； 25-漏极；

30-摩擦发电机；

31-第一电极； 32-第二电极； 33-可移动摩擦部；

33a-柔性基底； 33b-摩擦层。

具体实施方式

本发明提供了一种基于摩擦发电机和有机薄膜晶体管的柔性透明摩擦电子学晶体管，其可以用于主动式调控电子器件。该柔性透明摩擦电子学晶体管的特点为：(一)柔性可弯曲，即具有一定的柔软度，可以贴合在肢体或皮肤上；(二)透明，其主要体现在透光性上，即对于400nm～800nm的光，光透过率大于50％。为了实现上述两个特点，关键因素在于各部分材料的选择以及薄膜厚度的控制，这将在下文中进行详细说明。

为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种柔性透明摩擦电子学晶体管。图1A为根据本发明实施例柔性透明摩擦电子学晶体管的立体图。图1B为图1A所示柔性透明摩擦电子学晶体管的剖面示意图。

请参照图1A和图1B，本实施例柔性透明摩擦电子学晶体管包括：柔性衬底10、薄膜晶体管20和摩擦发电机30。其中，薄膜晶体管20形成于柔性衬底10的上表面。摩擦发电机30包括：第一电极31和第二电极32，并排形成于所述柔性衬底下表面，两者相互绝缘；可移动摩擦部33，与所述第一电极31和第二电极32相对设置，其在外力作用下可在所述第一电极31和第二电极32之间滑动，从而在两者之间形成电势差，通过该电势差实现对所述薄膜晶体管的开关控制。其中，柔性衬底10及形成于其上的薄膜晶体管20、第一电极31和第二电极32构成一透明且柔性可弯曲的整体，并且，可移动摩擦部33也是透明且柔性可弯曲的。

以下分别对本实施例柔性透明摩擦电子学晶体管的各个组成部分进行详细描述。

本实施例中，柔性衬底10采用PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜，厚度50μm，但本发明并不以此为限。该柔性衬底还可以采用其他材料，例如：PI(Polyimide，聚酰亚胺)、PES(聚醚砜树脂)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、Parylene(聚对二甲苯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等，其厚度应当介于10μm～500μm之间。

请参照图1A和图1B，在柔性衬底10上沉积ITO薄膜作为有机薄膜晶体管的栅极21，在ITO薄膜上采用溅射方法沉积五氧化二钽薄膜作为有机薄膜晶体管的栅绝缘层22。在五氧化二钽薄膜上采用热蒸发的方法沉积P型并五苯薄膜作为有机薄膜晶体管的半导体层23。采用热蒸发的方法沉积在栅绝缘层的表面，半导体层两侧沿y方向分别沉积独立的两金属电极，与半导体层形成欧姆接触，作为有机薄膜晶体管的源极24和漏极25，两者之间的半导体层形成宽度为60μm的沟道。

本实施例中，栅极21为300nm的ITO薄膜。除此之外，栅极21还可以采用PEDOT：PSS、AZO(铝掺杂氧化锌)、石墨烯、碳纳米管、GZO(氧化银镓)、NiO_X等非金属透明导电材料制备。考虑到器件的柔性和透明性，对于这些材料制备的栅极，其厚度介于50nm～1000nm之间。此外，还可以采用Au、Ag、Cu、Al等金属材料制备栅极。同样，考虑到器件的柔性和透明性，对于这些金属材料制备的栅极而言，其厚度一般不超过50nm。

本实施例中，栅绝缘层22为500nm的Ta₂O₅薄膜。除此之外，栅绝缘层还可以采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PVA(聚乙烯醇)、PI(聚酰亚胺)、SiO₂、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂等材料制备。考虑到器件的柔性和透明性，栅绝缘层的厚度介于50nm～2000nm之间。

本实施例中，半导体层23为45nm的P型并五苯薄膜。除此之外，半导体层还可以采用ZnO、聚噻吩、富勒烯、PTAA(聚三芳胺)、P3HT(聚3-已基噻吩)、PDTT(聚二噻葸并噻吩)、MoS₂、石墨烯等材料制备。考虑到器件的柔性和透明性，半导体层的厚度介于20nm～1000nm之间。

本实施例中，有机薄膜晶体管的源极24和漏极25为20nm的金薄膜。除此之外，源极和漏极还可以采用ITO、PEDOT：PSS、AZO、石墨烯、碳纳米管、GZO、NiO_X等非金属透明导电材料制备。考虑到器件的柔性和透明性，对于这些材料制备的源极和漏极，其厚度介于50nm～500nm之间。此外，还可以采用金、银、铜、铝等金属材料制备源极和漏极，同样，考虑到器件的柔性和透明性，其厚度一般不超过50nm。

请继续参照图1A和图1B，在柔性衬底的下表面，形成有并排的第一电极31和第二电极32。该第一电极和第二电极在x方向上相对设置，两者在x方向的间距小于1mm。其中，该第一电极和第二电极是300nm的ITO薄膜经由湿法刻蚀方法得到。该x方向为与柔性衬底的厚度方向，即y方向，相垂直的方向。

除此之外，第一电极和第二电极还可以采用PEDOT：PSS、AZO、石墨烯、碳纳米管、GZO、NiO_X等材料制备。考虑到器件的柔性和透明性，对于这些材料制备的第一电极和第二电极，其厚度介于100nm～1000nm之间。此外，还可以采用金、银、铜、铝等金属材料制备该第一电极和第二电极，同样，考虑到器件的柔性和透明性，其厚度一般不超过50nm。

可见，在薄膜晶体管中，栅极(21)、栅绝缘层(22)、半导体层(23)、源极(24)和漏极(25)均为二维薄膜材料，其厚度均不超过2000nm，并且，第一电极和第二电极也足够薄，在这种情况下，柔性衬底(10)及形成于其上的薄膜晶体管(20)、第一电极(31)和第二电极(32)构成一透明且柔性可弯曲的整体。

可移动摩擦部33包括：柔性基底33a及形成于其上的摩擦层33b。该可移动摩擦部33可在外力的作用下沿x方向滑动，第一电极31和第二电极32在与摩擦层33b摩擦的过程中产生电势差。由于第一电极31和第二电极32分别连接至有机薄膜晶体管的源极23和栅极21，从而实现对薄膜晶体管的开关控制。

本实施例中，柔性基底33a为PET薄膜，厚度50μm，与柔性衬底10的材料和厚度相同。同样，本发明并不以此为限，该柔性基底33a还可以采用其他材料，例如：PI(Polyimide，聚酰亚胺)、PES(聚醚砜树脂)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、Parylene(聚对二甲苯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等，其厚度应当介于10μm～500μm之间。

本实施例中，摩擦层33b为20μm的FEP层，该FEP通过粘贴的方式固定于柔性基底33a上。除此之外，摩擦层33b还可以采用Kapton，PTFE、PET等有机聚合物材料制备，其厚度应当介于50nm～1000μm之间。需要说明的是，只要是与第一电极和第二电极的材料不同的材料，由于摩擦电极序的原因，均可以用于制备摩擦层。采用有机聚合物材料的原因是由于其与ITO材料在摩擦电极序上的距离较远，摩擦性能较好。关于摩擦发电机及摩擦电极序的相关内容，可以参照申请人在以往专利中的陈述，此处不再赘述。

可见，由柔性基底和粘附于其上的厚度小于1000μm的有机聚合物薄膜构成透明且柔性可弯曲的可移动摩擦部。

此外，在摩擦层33b、第一电极，和/或第二电极相对的摩擦面上，还具有纳米结构来增加摩擦面积，进而提高调控电压。该纳米结构可以是形成或固定至摩擦面上的纳米线、纳米棒、纳米锥等。

以下介绍本发明柔性透明摩擦电子学晶体管的制备方法。请参照请1A、图1B和图2，本发明柔性透明摩擦电子学晶体管的制备方法包括：

步骤A：在柔性衬底10的下表面形成摩擦发电机的并排的第一电极31和第二电极32；

具体地，首先在柔性衬底10的下表面形成ITO薄膜，采用湿法刻蚀得到在x方向相对设置的第一电极31和第二电极32；

步骤B：在柔性衬底10的上表面形成薄膜晶体管；

具体地，该步骤B进一步包括：

首先，在柔性衬底的正面沉积ITO薄膜，形成薄膜晶体管的栅极21；

其次，在栅极21上采用溅射的方法沉积Ta₂O₅薄膜，形成薄膜晶体管的栅绝缘层22；

在次，在栅绝缘层22上采用热蒸发的方法沉积P型并五苯薄膜，并对其进行刻蚀，形成有机薄膜晶体管的半导体层23；

最后，采用热蒸发的方法在栅绝缘层的表面，半导体层两侧沿y方向分别沉积独立的两金属电极，与半导体层形成欧姆接触，作为有机薄膜晶体管的源极24和漏极25。

需要说明的是，上述步骤A和步骤B的顺序可以互换，或者是交叉进行，例如，首先沉积薄膜晶体管的栅极，而后沉积摩擦发电机的第一电极和第二电极，再后制作薄膜晶体管除栅极之外的其他部分，同样可以实现本发明。

步骤C：令摩擦发电机的第一电极31和第二电极32分别连接至所述有机薄膜晶体管的源极23和栅极21；

本步骤中，可以采用导线进行连接，也可以采用通过柔性衬底的过孔进行连接，均可以实现本发明。并且，该步骤C也可以与步骤B同时进行。

步骤D：制备摩擦发电机的可移动摩擦部，令其在外力作用下可在所述第一电极31和第二电极32之间滑动，从而在两者之间形成电势差。

其中，制备摩擦发电机的可移动摩擦部的步骤进一步可以包括：在PET薄膜上粘贴FEP层作为摩擦层，两者共同构成可移动摩擦部。

至此，图1A和图1B所示的柔性透明摩擦电子学晶体管制备完毕。

以下介绍本发明柔性透明摩擦电子学晶体管的工作原理以及测试结果。

图3为柔性透明摩擦电子学晶体管的工作原理图。在初始状态下，摩擦层33b与第一电极31紧密接触摩擦，由于不同的电子束缚能力，摩擦层33b的表面带负电，第一电极31带等量正电，此时上下摩擦表面的正负电荷处于平衡状态，因此栅电压为0，导电沟道宽度不受影响。在外力的作用下，摩擦层33b向第二电极32方向滑动。在摩擦层33b上负电荷的诱导下，第二电极32上的电子向栅极21流动。由于缺少负电荷的束缚，第一电极31上的正电荷向源极23流动。因此，一个正的电势差作用于有机薄膜晶体管的栅极和源级，致使导电沟道宽度增加，源漏电流加大。当摩擦层33b在外力作用下回到初始位置时，栅电压变为0，导电沟道宽度恢复到初始状态。

图4为摩擦层滑动距离与柔性透明摩擦电子学晶体管源漏电流之间的关系。图4中(a)为柔性透明摩擦电子学晶体管的输出特性曲线，在无外加栅压的情况下，源漏电流随着滑动距离的增加而增大，表现出近似外加传统栅压的晶体管特性。图4中(b)为柔性透明摩擦电子学晶体管的转移特性曲线，当摩擦层33b从初始位置滑动到7mm，有机薄膜晶体管的源漏电流由2μA增大到22μA，且两者之间具有很好的线性关系，这与原理分析相一致。

图5为图1A和图1B所示柔性透明摩擦电子学晶体管在特定弯曲半径下的输出特性。将柔性透明摩擦电子学晶体管保持在某一弯曲状态下，测试其电学性能。如图5中(a)所示，器件处于压缩弯曲状态，弯曲半径为20mm，源漏电压为-8V时，随着滑动距离的增加，源漏电流可以稳定连续性的从2μA增大到22μA。如图5中(b)所示，器件处于拉伸弯曲状态，弯曲半径为20mm，源漏电压为-8V时，随着滑动距离的增加，源漏电流可以稳定连续性的从2μA增大到21μA。上述实验结果表明，柔性透明摩擦电子学晶体管在大的弯曲弧度及不同弯曲状态下都可以保持优异的性能。

此外，对于图1A和图1B所示柔性透明摩擦电子学晶体管，由于选择和合适的材料，并且对材料的厚度进行控制，因此器件在400-800nm的光谱范围内具有很高的透明性，透明度均大于50％，光透过率曲线如图6所示。

图7为图1A和图1B所示柔性透明摩擦电子学晶体管主动式调控电子器件的电路图。为了达到调控电子器件的目的，设计了如图所示的电路集成系统，其主要由人机交互界面和电子器件两部分组成。

人机交互界面部分由摩擦电子学晶体管和第一外部电源组成。其中，摩擦电子学晶体管的薄膜晶体管的漏极连接至第一外部电源的正极，第一外部电极的负极接地。在摩擦发电机中，通过外力作用产生调控电压，可以调控薄膜晶体管的源漏电极之间电流的大小。其中，薄膜晶体管的源极作为人机交互界面部分的输出端。

电子器件部分包括：放大电路、第二外部电源和电子器件组成。其中，放大电路由一个三极管和电阻组成，其中，稳压电阻连接于柔性透明摩擦电子学晶体管的输出端与地之间，三极管的栅极连接至柔性透明摩擦电子学晶体管的输出端，源极连接至地。第二外部电源用于驱动电子器件，其负极连接至地。待调控的电子器件连接至三极管的漏极和第二外部电源的正极之间。

当人机交互界面部分的电流在外部滑动作用下发生改变时，电阻两端的电压随之发生变化，三极管栅极电压随之改变，改变电子器件部分电路中的电流大小，从而起到调节电子器件的作用。

图8为图1A和图1B所示柔性透明摩擦电子学晶体管主动式调控电子器件的实验结果。图8中(a)为柔性透明摩擦电子学晶体管主动式调控冷光片亮度的实验结果。滑动距离从1mm增加到7mm，冷光片的亮度从60cd/m²增加到310cd/m²左右。图8中(b)为柔性透明摩擦电子学晶体管主动式调控电磁铁磁场强度的实验结果。如图所示，随着滑动距离从1mm增加到7mm，电磁铁的磁场强度从0.1mT增加到4.8mT左右。图8中(c)为柔性透明摩擦电子学晶体管主动式调控蜂鸣器音量的实验结果。声音强度随着滑动距离线性的从109.5dB增加到115.0dB。图8中(d)为柔性透明摩擦电子学晶体管主动式调控压电双晶片微移动的实验结果。如图8所示，随着滑动距离从1mm增加到7mm，压电双晶片不断的弯曲移动，移动距离从0.01mm到0.13mm。上述实验结果表明，利用柔性透明摩擦电子学晶体作为人机交互界面，可以实现利用外部滑动主动式和连续性调控电子器件。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。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，并非用来限制本发明的保护范围。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。

综上所述，本发明基于滑动式摩擦发电机和有机薄膜晶体管，提供了一种柔性透明摩擦电子学晶体管，可以实现对常用电子器件的主动式调控。本发明不但提供了一种新的主动式可连续调控常用电子器件的方法，而且证明了摩擦电子学在柔性电子和人机交互领域方面应用的可行性，在可穿戴电子和人机界面等方面应用具有积极意义。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。