全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列制造技术

技术编号:25403441 阅读:41 留言:0更新日期:2020-08-25 23:07
一种全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列,全自驱动石墨烯晶体管,包括:基底层;电极层,包含源极、漏极和栅极,位于基底层之上;其中,该源极和漏极之间的源漏电压由聚吡咯发电机提供,该聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的直流电;石墨烯作为沟道层,连接于源极和漏极之间,栅极电压由外界物体与栅极的接触‑分离感应产生的电动势提供;所述聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的源漏电压调控石墨烯沟道层中产生的载流子浓度,同时沟道层在栅极电压的调控作用下进行全自驱动电学输出。实现了全自驱动的效果,能耗几乎为零,同时具有较高的集成度和高灵敏度,可同时实现手势与压力的双重检测。

【技术实现步骤摘要】
全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列
本公开属于传感器和摩擦电子学
,涉及一种全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列。
技术介绍
柔性可穿戴传感器是一种采用新型材料、微加工技术、集成电路技术制作的穿戴在人体的电子装置或者电子系统。为了满足可穿戴、降低能耗的需求,自驱动的可穿戴传感器成为研究热点。随着2012年摩擦发电机(TENG)这种基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新的能量转化手段的问世,实现自驱动的途径在原来的压电和热电等方式的基础上增加了一个新的平台。目前,基于摩擦纳米发电机的自供能传感器已在各种学科和领域得到了广泛研究,被用于测量各种类型的物理参数,例如压力传感器、触觉传感器、声学传感器、振动传感器、气压传感器、紫外传感器以及化学传感器等。然而,临床和医疗监测的发展为自驱动传感器提出了高灵敏性与高分辨率和器件集成等更高的要求,同时目前可穿戴传感器对外部电压的驱动具有高能耗需求。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列,以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面,提供了一种全自驱动石墨烯晶体管,包括:基底层;电极层,包含源极、漏极和栅极,位于基底层之上;其中,该源极和漏极之间的源漏电压由聚吡咯发电机提供,该聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的直流电;石墨烯作为沟道层,连接于源极和漏极之间,栅极电压由外界物体与栅极的接触-分离感应产生的电动势提供;所述聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的源漏电压调控石墨烯沟道层中产生的载流子浓度,同时沟道层在栅极电压的调控作用下进行全自驱动电学输出。在本公开的一些实施例中,聚吡咯发电机为包含第一金属/聚吡咯/第二金属的层叠结构,第一金属与聚吡咯为欧姆接触,第二金属与聚吡咯存在肖特基势垒;第一金属与源极连接,第二金属与漏极连接。在本公开的一些实施例中,源极、漏极由金属材料充当。在本公开的一些实施例中,源极、漏极由石墨烯材料充当;可选的,充当源极、漏极的石墨烯材料与作为沟道层的石墨烯一体成型。在本公开的一些实施例中,栅极由离子凝胶充当,该离子凝胶位于基底层之上,部分离子凝胶覆盖于石墨烯沟道层之上,形成离子凝胶/石墨烯界面,在外界物体与栅极层的接触-分离过程中,分别在离子凝胶的表面和离子凝胶/石墨烯界面形成负、正电荷相对排列的双电层。在本公开的一些实施例中,栅极由石墨烯材料充当,形成栅极的石墨烯材料位于基底层之上,部分石墨烯材料覆盖于石墨烯沟道层之上。在本公开的一些实施例中,聚吡咯发电机中,第一金属、第二金属及聚吡咯各层的厚度介于300μm~1000μm之间,该聚吡咯发电机的长×宽的尺寸介于1×1cm2~2×2cm2之间;和/或,基底层的长度和宽度介于1cm~3cm之间;和/或,源极及漏极的长度和宽度介于1mm~2mm之间,厚度介于40nm~100nm;和/或,源极和漏极的间距介于300μm~1000μm之间;和/或,栅极的高度介于400μm~1000μm之间,栅极的长度和宽度介于2mm~5mm之间;栅极覆盖于沟道层之上的部分的长度介于100μm~150μm之间,栅极覆盖于沟道层之上的部分的宽度介于280μm~980μm之间。根据本公开的另一个方面,提供了一种逻辑器件,包括若干个本公开提及的任一种全自驱动石墨烯晶体管;可选的,该逻辑器件包括如下器件的一种或其组合:反相器、与门、非门、或门、与非门、或非门、异或门及同或门。根据本公开的又一个方面,提供了一种传感器阵列,包括若干个本公开提及的任一种全自驱动石墨烯晶体管。在本公开的一些实施例中,该传感器阵列作为电子皮肤使用,包含多个传感器单元,每个传感器单元包含至少一个全自驱动石墨烯晶体管,对压力和手势的变化同时进行自驱动检测。(三)有益效果从上述技术方案可以看出,本公开提供的全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列,具有以下有益效果:1、首次提出利用聚吡咯发电机为石墨烯晶体管提供源漏电压,基于实验研究了聚吡咯发电机对石墨烯晶体管调控的可行性和可靠性,克服了在原来的石墨烯晶体管中加入另一驱动源可能导致的负面影响和干扰作用,证实了将聚吡咯发电机作为石墨烯晶体管的源漏电压的可行性和可靠性,利用加载于聚吡咯发电机上的压力调控石墨烯沟道中产生载流子,以外界物体与离子凝胶进行接触-分离产生的静电势,作为栅电压调控载流子传输以及输出电流,调控作用协调良好,不需要外接电源的供能,实现了全自驱动的效果,能耗几乎为零,同时具有较高的集成度和高灵敏度,可同时实现手势与压力的双重检测,为未来开发安全可靠的自驱动植入式器件提供了良好的基础。2、基于石墨烯的半-金属(semi-metallic)特性,不仅可将石墨烯作为该全自驱动石墨烯晶体管的沟道材料,还可以作为栅极、源极和漏极,不必单独制作电极层,只需要将石墨烯进行图案化制作,得到位于同一平面的栅极-源漏极-沟道结构,简化了制作工艺,节约材料。3、将该全自驱动石墨烯晶体管作为基本单元进行拓展,得到反相器、与非门、及或非门等逻辑器件,根据不同刺激因素和逻辑器件输出信号关系可进行逻辑运算。4、包含多个该全自驱动石墨烯晶体管阵列排布的传感器阵列,作为电子皮肤,可进行多像素点的实时监测,对压力和手势的变化可同时进行检测,实现自驱动、多范围的高灵敏度监测。附图说明图1A-图1C分别为根据本公开一实施例所示的全自驱动石墨烯晶体管的主视图、俯视图和右视图。图2为根据本公开一实施例所示的全自驱动石墨烯晶体管的原理图。图3为根据本公开一实施例所示的聚吡咯发电机的输出性能曲线,其中,(a)为输出电压随时间变化关系曲线;(b)为输出电压随压力变化关系曲线;(c)为源漏电流随压力变化关系曲线;(d)为输出电压随器件尺寸变化关系曲线;(e)为源漏电流随器件尺寸变化关系曲线。图4为根据本公开一实施例所示的探究聚吡咯发电机对晶体管调控的可行性实验结果,其中,栅极电压由外电源提供,(a)为外电源提供源漏电压的输出特性I-V曲线;(b)为对应聚吡咯发电机在不同压力下的源漏电流输出曲线;(c)为外部直流电提供固定源漏电压下,变化探针台施加的栅极电压对应的输出曲线;(d)为聚吡咯受到固定压力提供固定源漏电压下,变化探针台施加的栅极电压对应的输出曲线。图5为根据本公开一实施例所示的探究该全自驱动石墨烯晶体管中两种驱动的协调性以及可靠性的实验结果,其中,(a)为外电源提供源漏电压,同时外界物体与离子凝胶栅极接触-分离不同距离作为不同栅极电压的输出曲线;(b)为利用聚吡咯发电机提供源漏电压,同时外界物体与离子凝胶栅极接触-分离不同距离作为不同栅极电压的输出曲线;(c)为外电源提供固定的源漏电压,源漏电流随着外界物体与离子凝胶栅极接触-分离的最大距离变化的转移曲线;(d)为聚吡咯发电机在固定外界压力下提供固定的源漏电压,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全自驱动石墨烯晶体管,其特征在于,包括:/n基底层;/n电极层,包含源极、漏极和栅极,位于基底层之上;/n其中,该源极和漏极之间的源漏电压由聚吡咯发电机提供,该聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的直流电;石墨烯作为沟道层,连接于源极和漏极之间,栅极电压由外界物体与栅极的接触-分离感应产生的电动势提供;所述聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的源漏电压调控石墨烯沟道层中产生的载流子浓度,同时沟道层在栅极电压的调控作用下进行全自驱动电学输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种全自驱动石墨烯晶体管,其特征在于,包括:
基底层;
电极层,包含源极、漏极和栅极,位于基底层之上;
其中,该源极和漏极之间的源漏电压由聚吡咯发电机提供,该聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的直流电;石墨烯作为沟道层,连接于源极和漏极之间,栅极电压由外界物体与栅极的接触-分离感应产生的电动势提供;所述聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的源漏电压调控石墨烯沟道层中产生的载流子浓度,同时沟道层在栅极电压的调控作用下进行全自驱动电学输出。


2.根据权利要求1所述的全自驱动石墨烯晶体管,其特征在于,所述聚吡咯发电机为包含第一金属/聚吡咯/第二金属的层叠结构,第一金属与聚吡咯为欧姆接触,第二金属与聚吡咯存在肖特基势垒;第一金属与源极连接,第二金属与漏极连接。


3.根据权利要求1或2所述的全自驱动石墨烯晶体管,其特征在于,所述源极、漏极由金属材料充当。


4.根据权利要求1或2所述的全自驱动石墨烯晶体管,其特征在于,所述源极、漏极由石墨烯材料充当;
可选的,充当源极、漏极的石墨烯材料与作为沟道层的石墨烯一体成型。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的全自驱动石墨烯晶体管,其特征在于,栅极由离子凝胶充当,该离子凝胶位于基底层之上,部分离子凝胶覆盖于石墨烯沟道层之上,形成离子凝胶/石墨烯界面,在外界物体与栅极层的接触-分离过程中,分别在离子凝胶的表面和离子凝胶/石墨烯界面形成负、正电荷相对排列的双电层。


6.根据权利要求1至4中任一项所述的全自驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员:孙其君孟艳芳
申请(专利权)人:北京纳米能源与系统研究所
类型:发明
国别省市:北京;11

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