一种本征可拉伸复合电极的及其制备方法和应用

本发明属于场效应晶体管器件，具体涉及本征可拉伸复合电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，柔性电子产品因其灵活性、可塑性和生物相容性等特点备受关注。这些产品在智能医疗保健、生物植入电子设备和仿生学高级集成等领域具有巨大潜力(science2015,347,159-163；nature 2016,529,509-514；nature,2018,555,83-88)。然而，由于传统的电子设备通常基于体积庞大、易碎且刚性的无机电子器件构建，它们在舒适性和可拉伸性方面受到一定限制，难以与曲线或柔软的人体皮肤紧密贴合。因此，赋予电子产品可拉伸性将扩大其在可穿戴设备、大型电子显示器和软体机器人等领域的应用范围，从而对人们的生活方式产生深远影响。可拉伸场效应晶体管因材料优势和器件结构特点而成为柔性电子领域的核心。与此同时，在软体机器人和电子显示器等领域中，可拉伸电子设备需要具备大规模和高密度的晶体管阵列，以在大应变状态下实现耐用性和高性能。因此，为了实现真正的大规模自主可穿戴设备，构建轻量化、低成本、灵活性和可大规模溶液处理的可拉伸ofet变得非常重要。

2、其中，作为可拉伸ofet的重要组成部分，可拉伸电极发挥着关键的作用，主要用于载流子的注入和收集，对于器件性能有重要影响。现有技术中，半导体器件的电极材料多为金属。通过对材料进行几何形状进行设计，使其能够通过形状变化来吸收外部应变能量，从而赋予电极出色的拉伸性能。这种策略包括了多种设计方法，如kirigami，蛇形结构，网格/多孔结构，波浪形结构，微裂纹设计，以及弹簧结构等。尽管在实现可拉伸电极方面，已经取得了一定的成功，可将电子设备从刚性转变为可拉伸的形态。然而，几何工程方法存在一些挑战，如制造复杂性、高成本和难以大规模生产。波浪形结构容易出现分层问题，导致电极与半导体层之间的接触电阻增大，从而影响器件性能甚至无法正常工作。此外，波峰和波谷之间的应变差异可能导致缺陷和阻氧/防水封装层的损坏。刚性蛇形或软弹性互连器的可拉伸矩阵在受到应变应力时容易出现连接区域和有源器件部分的开裂。此外，制备金属电极通常需要高温、高真空的环境，制备环境要求严格，对仪器设备的要求较高，不利于实现低成本的器件制备。相比之下，本征可拉伸导体具有更好的可塑性，能够更好地保持器件的电学性能，并且能够更好地适应身体组织的曲线形状。而现有的可拉伸电极种类和数量较少，并且在电导率这个关于电极最重要的性能参数上可调控性或可选择性较差。因此，开发一种能够低成本、大面积制备，具有优异机械性能的电极，并且具有丰富种类的电极，对于新型有机场效应晶体管器件的研究与发展十分重要。

技术实现思路

1、为了避免上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供一种具有优异机械性能的本征可拉伸复合电极及其制备方法和应用。

2、该方法获得的电极，可以通过调整电极成分或掺杂比例实现对电导率的有效调控，且低成本、可大面积制备，具有优异机械性能。

3、本发明提供的本征可拉伸复合电极的制备方法，具体步骤如下：

4、(1)对载玻片衬底的表面进行羟基化处理，之后在表面上修饰十八烷基三氯硅烷(ots)；

5、(2)在经过步骤(1)处理的衬底上旋涂聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(pedot:pss)，干燥成型，制得pedot:pss导电薄膜；

6、(3)制备导电混合液：将碳基纳米材料溶液通过一定体积比加入到金属纳米线溶液中进行混合，超声分散，形成复合导电溶液；

7、(4)将步骤(3)的导电溶液采取喷涂的方式，以图案化不锈钢为掩模板，喷涂在步骤(2)得到的所述pedot:pss导电薄膜上，干燥成型；然后将其泡入酸液中进行去杂质处理，然后水洗干燥，制得复合导电薄膜，即为本征可拉伸复合电极。

8、进一步地：

9、步骤(1)中，所述羟基化处理的步骤为：对所述衬底先进行食人鱼溶液(硫酸:过硫化氢＝2:1)浸泡，浸泡时间为5-100min；然后，对食人鱼溶液浸泡过的衬底采用大量超纯水清洗；接着，对水洗过的衬底再进行乙醇清洗，烘干；

10、所述修饰十八烷基三氯硅烷，是将上述经羟基化处理的衬底置于含有体积为1～50μl的十八烷基三氯硅烷的培养皿中，于真空烘箱中高温处理，温度为100～130℃，时间为30～300min，即连接上所述十八烷基三氯硅烷。

11、步骤(2)中，pedot:pss的旋涂速度为500～4000rpm，旋涂时间为30s～60s，干燥温度为60℃～75℃，干燥时间为1～30min。

12、步骤(3)中：

13、所述羰基纳米材料为cnts或石墨烯；所述金属纳米线材料为agnws；羰基纳米材料和金属纳米线的体积比为1:(1-9)；

14、所述金属纳米线溶液为0.25～5mg/ml的n,n-二甲基甲酰胺dmf；碳基纳米材料溶液为0.25～5mg/ml的n,n-二甲基甲酰胺dmf；

15、超声设备为细胞粉碎机，超声功率280w，间隙时间/超声时间5s/5s，超声时间为10min～90min；

16、步骤(4)中，喷涂用喷枪型号为iwata hp-cp，喷涂气压为0.1mpa，距离为10～25cm，衬底加热温度为100～180℃；所述酸液为浓硝酸；

17、所述不锈钢掩模板的镂空线长为10～5000μm，线宽为200～1000μm，其镂空线间距为50～5000μm；

18、所述复合电极薄膜的厚度为70～5000nm。

19、本发明可通过调整成分或掺杂比例实现对薄膜电导率和质量的有效调控。

20、本发明制备的复合导电薄膜，具有优异的可拉伸力学性能，并且制备成本低廉。

21、本发明制备的复合导电薄膜作为一种可拉伸复合电极，可用于制备高性能有机场效应晶体管，具体步骤如下：

22、(1)将液态绝缘聚合物材料滴涂在上述复合导电薄膜上，干燥固化成型，形成弹性衬底层，将该弹性衬底层从原来的载玻片上剥离，得到绝缘层/复合导电薄膜混合层；所述液态绝缘聚合物材料为苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sebs)或聚二甲基硅氧烷(pdms)；

23、(2)将经本征可拉伸复合电极制备方法中步骤(1)处理的载玻片四周用3m胶带贴敷，形成中间裸漏的图案化衬底，接着将液态绝缘聚合物材料旋涂在图案化的载玻片上，干燥固化成型，制备出图案化介电层；所述液态绝缘聚合物材料为苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sebs)或聚二甲基硅氧烷(pdms)；

24、(3)将n型或p型有机半导体溶液旋涂在经本征可拉伸复合电极制备方法中步骤(1)处理的衬底上，之后在真空烘箱里退火成膜，制备出有机半导体层；

25、(4)以次将步骤(1)得到的弹性衬底/导电薄膜复合层、步骤(2)制得的介电层和步骤(3)制得的有机半导体层转移叠合，形成弹性衬底/导电薄膜/介电层/有机半导体层的复合层；接着，将上述复合层转移至所述复合导电薄膜(作为源和漏电极)，最终形成一个弹性衬底/导电薄膜/介电层/有机半导体层/导电薄膜(源和漏电极)的有机场效应晶体管。

26、进一步地：

27、步骤(1)和步骤(2)中，所述液态绝缘聚合物材料与固化用的固化剂质量比为(12-16)：1(优化15：1)；固化温度为60℃～75℃，固化时间为1～3h；所述弹性衬底的厚度为500～5000μm，所述介电层的厚度为300～500μm。

28、步骤(3)中，所述有机半导体的浓度为5～10mg/ml的溶液，旋涂转速为1000～3000rpm，时间为40～60s。

29、本发明通过溶液法大规模制备复合导电薄膜电极，具备对环境和设备要求较低的优势；通过调节agnws和cnts的比例，可以获得具有不同电导率的电极材料。所得电极表现出卓越的力学性能，具备优异的可拉伸性质。本发明提供的复合导电薄膜电极，可以构建完整的可拉伸场效应晶体管器件，其拉伸性能超越金属电极的电子器件，在器件制备和性能方面均具有显著的优势。