基于有机晶体管的仿生适应型感受器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于有机晶体管的仿生适应型感受器及其制备方法与应用。该适应型OFET，由下至上依次包括栅电极、下绝缘层、半导体中间层、上绝缘层和半导体传输层以及同时位于所述半导体传输层之上的源电极和漏电极。该类适应型OFET结构具有普适性，半导体传输层、半导体中间层以及绝缘层的材料可以灵活选择，同时可以灵活调控各层的厚度及界面特性，从而使得适应性衰减时间参数可在10

Bionic adaptive sensor based on organic transistor and its preparation method and Application

The invention discloses a bionic adaptive sensor based on an organic transistor, a preparation method and application thereof. The adaptive OFET comprises a gate electrode, a lower insulating layer, a semiconductor intermediate layer, an upper insulating layer and a semiconductor transmission layer from bottom to top, and a source electrode and a drain electrode simultaneously located above the semiconductor transmission layer. This kind of adaptive OFET structure has universality. Semiconductor transmission layer, semiconductor intermediate layer and insulating layer can be selected flexibly. At the same time, the thickness and interface characteristics of each layer can be adjusted flexibly, so that the adaptive attenuation time parameters can be up to 10.

【技术实现步骤摘要】
基于有机晶体管的仿生适应型感受器及其制备方法与应用
本专利技术涉及有机生物电子学以及柔性多功能传感领域，具体涉及一种基于有机晶体管的仿生适应型感受器及其制备方法与应用。
技术介绍
感觉的适应是指在一个长时间持续的外界信号刺激下，感觉神经纤维上动作电位的频率逐渐降低的生理现象。通过感觉的适应过程，生物体不但能够有效感知外界的信号强弱，还能够主动适应外界环境的变化。适应现象广泛存在于人体的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及味觉等感觉系统，比如人们对光照、温度、噪音、气味的适应等等，其意义在于忽视那些旧的不具有意义的刺激，从而更好地去注意更有意义的新的刺激。作为感受器的基本特性之一，适应过程在生物体的高级感知中扮演着重要角色。近年来，随着柔性仿生器件和人工智能的迅猛发展，开发新型柔性电子器件来模拟生物体感受器的适应行为，有着十分重要的科学意义和应用前景。模拟感受器的适应过程需要满足输出信号在恒定的输入信号下具有可逆的快速衰减特性，尽管类似的功能可以通过复杂的逻辑电路运算来模拟，然而利用单一晶体管来模拟感觉适应过程目前尚未实现，在同一个器件中同时实现短程的快速衰减和长程的信号稳定性是模拟感觉适应所面临的关键难题之一。有机场效应晶体管(OFET)作为三端器件，使其具有和无机MOS管相类似的多信号转换及放大功能。此外，相对于传统的MOSFET，OFET还具有优异的柔性和生物相容性，以及低成本和大面积制备等优势，特别适合作为新型生物电子器件的功能模块单元。近几年来，利用OFET来模拟感知系统以及神经中枢的高级功能成为了OFET功能化研究的前沿方向，一系列具有柔性和可拉伸特性的仿生智能结构应运而生(Tee,BenjaminC.K.,Chortos,A.,andBaoZ.,Science,2015,350,313；Kim,Y.,Chortos,A.,Xu,W.,andBaoZ.,Science,2018,360,998.)，但是利用OFET来模拟感觉的适应行为目前还没有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于有机晶体管的仿生适应型感受器及其制备方法与应用。本专利技术提供的适应型OFET，由下至上依次包括栅电极、下绝缘层、半导体中间层、上绝缘层和半导体传输层以及同时位于所述半导体传输层之上的源电极和漏电极。上述适应型OFET中，构成所述上绝缘层和下绝缘层的材料为无机绝缘材料、有机绝缘材料或电解质绝缘材料；其中，所述无机绝缘材料为二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锆或五氧化二钽；其中，所述有机绝缘材料为聚乙烯醇肉桂酸酯、聚乙烯醇(也即PVA)、聚对二甲苯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、透明氟树脂、聚苯乙烯、聚乙烯基苯酚；更具体可为派瑞林或PVA；所述派瑞林具体可为派瑞林C；其中，所述电解质绝缘材料为固态电解质绝缘材料，包括离子液体-聚合物以及离子盐-聚合物复合电解质；构成所述半导体中间层和半导体传输层的材料为具有场效应传输性能的有机半导体材料；具体选自小分子材料和聚合物材料中至少一种；所述小分子材料具体选自PBTTT、PDPP3T和并五苯中至少一种；所述聚合物材料选自聚乙烯醇、聚乙烯醇肉桂酸酯和派瑞林C中至少一种。构成所述栅电极层、源电极和漏电极的材料均选自金属、陶瓷、合金、金属氧化物、重掺杂半导体和导电聚合物中的任意一种；具体的，所述金属为金、银、铝、镍或铜；所述陶瓷为硅片；所述合金材料为镁银合金、铂金合金、锡箔合金、铝箔合金、锰镍铜合金、镍钛铝合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金、镍铁合金或镍锌合金；所述金属氧化物为氧化铟锡、二氧化锰或二氧化铅；所述重掺杂半导体为磷掺杂的硅、硼掺杂的硅或砷掺杂的硅，磷、硼或砷的掺杂质量百分浓度均为1-3％；所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩。所述适应型OFET还包括衬底；所述衬底位于所述栅电极之下；构成所述衬底的材料具体为玻璃、陶瓷或聚合物。所述衬底的厚度具体为1～10000μm；具体可为3μm；所述栅极的厚度为10nm～1000μm；具体可为30nm；所述源电极和漏电极的厚度为10nm～300nm；具体可为30nm；所述上绝缘层和下绝缘层的厚度为50～1000nm；具体可为100nm；所述半导体中间层和半导体传输层的厚度为2nm～100nm；具体可为4nm或20nm。根据器件衰减时间参数的不同，可将所述适应型OFET器件分为超慢适应型(衰减时间参数大于1秒)、慢适应型(衰减时间参数在0.1秒到1秒)以及快适应型(衰减时间参数小于0.1秒)。上绝缘层材料的选择及半导体中间层的厚度和器件的适应快慢密切相关，选择不同的上绝缘层材料及半导体中间层的厚度可以实现不同速率的适应行为。具体的，所述上绝缘层材料选自、聚乙烯醇肉桂酸酯和派瑞林C中至少一种时，所述适应型OFET器件为超慢适应型OFET器件；所述上绝缘层材料选自、聚乙烯醇肉桂酸酯和派瑞林C中至少一种时，所述适应型OFET器件为慢适应型OFET器件；所述上绝缘层材料选自聚乙烯醇肉桂酸酯和聚乙烯醇中至少一种时，所述适应型OFET器件为快适应型OFET器件。更具体的，所述半导体中间层的厚度由20nm降低为4nm时，可由慢适应型OFET器件转换为超慢适应型OFET器件；将构成所述上绝缘层的材料由派瑞林C替换为聚乙烯醇(也即PVA)，即可由慢适应型OFET器件转换为快适应型OFET。本专利技术提供的制备所述适应型OFET器件的方法，包括：1)在所述栅电极上制备下绝缘层；2)在所述下绝缘层上制备半导体中间层；3)在所述半导体中间层上制备上绝缘层；4)在所述上绝缘层上制备半导体传输层；5)在所述半导体传输层上制备源电极和漏电极，得到所述适应型OFET器件。上述方法中，制备所述栅电极的方法为真空热蒸镀、磁控溅射、转移、喷墨打印或等离子增强的化学气相沉积；制备所述绝缘层的方法为旋涂、化学气相沉积、热氧化或热蒸镀；制备所述半导体中间层和半导体传输层的方法为旋涂、滴涂、真空热蒸镀、剪切拉膜、LB膜或喷墨打印；制备所述源电极和漏电极的方法为真空热蒸镀、转移或喷墨打印。所述方法还包括：在所述衬底上制备栅电极。另外，含有所述适应型OFET器件的信号触发产品及该适应型OFET器件在制备信号触发产品中的应用，也属于本专利技术的保护范围。其中，：所述信号为电信号、压力、温度、光照、气体和生物物质中至少一种；所述信号触发产品为传感电路、逻辑电路或集成器件。本专利技术具有以下特点和优点：1、本专利技术在OFET的绝缘层内部引入一层有机半导体中间层，该中间层可以可逆地屏蔽来自栅极的电场，故而同时实现了输出信号的快速衰减和多次循环下的稳定性，成功模拟了感受器的适应行为。该仿生适应型OFET的制备及应用，可以有效推动电子皮肤，人工智能以及可穿戴电子器件的发展。2、该类适应型OFET结构具有普适性，半导体传输层、半导体中间层以及绝缘层的材料可以灵活选择，同时可以灵活调控各层的厚度及界面特性，从而使得适应性衰减时间参数可在10-2s～102s，适应性衰减幅度可在0％～100％范围内灵活调节，和人体的触觉、视觉、嗅觉以及冷热感觉等的适应行为相匹配。3、该类适应型OFET器件可以和多种传感单元相集成，从而实现对多种物理及化学信号的适应性感知模拟，具有广泛的通用性。4、该类适应型OFET具有优异的信号放大的特性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适应型OFET，由下至上依次包括栅电极、下绝缘层、半导体中间层、上绝缘层和半导体传输层以及同时位于所述半导体传输层之上的源电极和漏电极。

【技术特征摘要】
1.一种适应型OFET，由下至上依次包括栅电极、下绝缘层、半导体中间层、上绝缘层和半导体传输层以及同时位于所述半导体传输层之上的源电极和漏电极。2.根据权利要求1所述的适应型OFET，其特征在于：构成所述上绝缘层和下绝缘层的材料为无机绝缘材料、有机绝缘材料或电解质绝缘材料；其中，所述无机绝缘材料为二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锆或五氧化二钽；其中，所述有机绝缘材料为聚乙烯醇肉桂酸酯、聚乙烯醇、聚对二甲苯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、透明氟树脂、聚苯乙烯、聚乙烯基苯酚；其中，所述电解质绝缘材料为固态电解质绝缘材料，包括离子液体-聚合物以及离子盐-聚合物复合电解质；构成所述半导体中间层和半导体传输层的材料为具有场效应传输性能的有机半导体材料；具体选自小分子材料和聚合物材料中至少一种；所述小分子材料具体选自PBTTT、PDPP3T和并五苯中至少一种；所述聚合物材料选自聚乙烯醇、聚乙烯醇肉桂酸酯和派瑞林C中至少一种。3.根据权利要求1或2所述的适应型OFET，其特征在于：构成所述栅电极层、源电极和漏电极的材料均选自金属、陶瓷、合金、金属氧化物、重掺杂半导体和导电聚合物中的任意一种；具体的，所述金属为金、银、铝、镍或铜；所述陶瓷为硅片；所述合金材料为镁银合金、铂金合金、锡箔合金、铝箔合金、锰镍铜合金、镍钛铝合金、镍铬铁合金、镍锰铁合金、镍铁合金或镍锌合金；所述金属氧化物为氧化铟锡、二氧化锰或二氧化铅；所述重掺杂半导体为磷掺杂的硅、硼掺杂的硅或砷掺杂的硅，磷、硼或砷的掺杂质量百分浓度均为1-3％；所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩。4.根据权利要求1-3中任一所述的适应型OFET，其特征在于：所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：狄重安，申弘光，金文龙，朱道本，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11