【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水凝胶，特别涉及一种半导体水凝胶及其制备方法，以及该水凝胶作为半导体材料在逻辑电路和电生理信号检测中的应用，属于有机高分子功能材料领域。
技术介绍
1、水凝胶是一种由含有大量水分的三维交联亲水聚合物网络。与刚性无机材料和有机聚合物相比，水凝胶的力学性能可以广泛调节，以适应不同的生物组织，包括软骨、皮肤、肌肉和大脑。此外，水凝胶结构多样，易于修饰，在生物工程中表现出优异的多功能性。通过修饰不同的官能团，水凝胶可以表现出特殊的刺激反应性和界面特性，目前已经成功应用于传感器、制动器、涂层、声探测器、光学和电子学。
2、传统的水凝胶只具有离子导电性，而不具有电子导电性。三维亲水网络使水凝胶成为良好的离子导体和令人满意的生物相容性材料。因此，水凝胶可以有效降低传统金属电极与生物组织之间的界面阻抗，便于生物信号的收集。然而，离子的低电导和迁移率限制了基于水凝胶的电子元件的信号幅度、响应速度和截止频率。为了提高水凝胶的电子导电性，可以在水凝胶的基质中加入导电微纳米复合材料，如碳材料和金属材料。与无机复合材料相比，导电聚合物在机械灵活性、溶液可加工性和生物相容性方面具有显著优势。因此，导电聚合物，包括聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(pedot:pss)、聚吡啶(ppy)和聚苯胺(pani)，已经被用于与非导电水凝胶混合，形成互穿网络，从而为水凝胶体系提供优异的电子导电性。随着电导率的提高，导电水凝胶可用于制造多功能电子器件和提高传感灵敏度。
3、半导体在电子学中起着至关重要的作用，是开关、放大、整
4、因此，迄今为止，水凝胶只被用作简单的电线、电阻器或电容元件，具有电学性能的半导体水凝胶尚未被开发，缺乏半导体水凝胶及其电子器件的制备方法。因此，构筑半导体水凝胶对于推进水凝胶电子学具有重要意义。
技术实现思路
1、针对高电学性能半导体水凝胶的空白，本专利技术提供了一种半导体水凝胶的设计与制备方法，得到了单网络、多网络半导体水凝胶，实现了优异的半导体性能和良好的机械性能。基于此，实现了半导体水凝胶互补逻辑电路的构筑和电生理信号的检测与放大。
2、本专利技术的设计思路和原理为：
3、1.水凝胶的主要成分需要选择具有半导体性能的共轭聚合物，该类共轭聚合物具有较好的水溶性(溶解度大于3mg/ml)。水溶性共轭聚合物包括骨架含阳离子的共轭聚合物和含有阴离子侧链的共轭聚合物。骨架含阳离子的共轭聚合物，可实现n型半导体水凝胶的制备。相似的，p型半导体水凝胶也可以通过含阴离子侧链的共轭聚合物进行制备。
4、2.该类共轭聚合物可以通过交联在水中稳定存在，不会溶解。考虑到化学交联对共轭聚合物的结构会产生明显影响，进而影响半导体性能，因此交联方法选择对聚合物影响更小的物理交联。考虑到水溶性共轭聚合物含有离子的特点，物理交联选用离子交联。离子交联的原理为选择具有更大共轭平面的阴离子，和阳离子共轭聚合物主链具有更强的结合力，因此在热力学上会替换掉原有的抗离子。当新的阴离子和阳离子骨架间结合力大于阳离子骨架和水的结合力时，离子交联后的聚合物就可以不再溶解于水。相似的，大共轭平面的阳离子和共轭聚合物的阴离子侧链具有更强的结合力，可以实现离子交联。
5、3.为了进一步减小离子交联对共轭聚合物的结构和组装行为的影响，可以通过先将聚合物制备成干态固体，再进行离子交联的方法。
6、4.共轭聚合物通常机械性能较差，为了提高水凝胶体系的机械性能和生物界面性能，可以将其与传统水凝胶网络复合，形成多网络水凝胶，实现优秀半导体性能、生物功能和机械性能兼具的水凝胶。相比于无机电子器件和有机电子器件，水凝胶电子器件可以和生物组织的界面实现优异地匹配，保证良好的离子通透性的同时，实现传感、抗菌、黏附等生物功能。
7、基于以上设计思路，在本专利技术的第一方面，提供一种单网络半导体水凝胶的制备方法。
8、第一步，将水溶性共轭聚合物a溶解于水中，得到均相水溶液a’，将离子交联剂b溶解于水或所述水溶性共轭聚合物的正交溶剂(如二甲基亚砜、甲醇、四氢呋喃等)中，得到均相溶液b’。
9、第二步，将水溶液a’通过旋涂、滴涂或刮涂等方法制备成干态薄膜c。将薄膜c浸泡在一定浓度的溶液b’里一定时间，使离子交联反应充分进行，用水洗涤，得到单网络薄膜水凝胶材料d。制备具有确定形状的d可以将薄膜c置于特定温度的热台上，将特定形状的镂空掩模板盖在薄膜c上，将一定浓度的溶液b’喷涂于掩模板表面，取下掩模板，用水洗涤，得到图案化的单网络薄膜水凝胶材料d。
10、上述水溶性共轭聚合物a可以是骨架含阳离子的共轭聚合物，或者是含有阴离子侧链的共轭聚合物，依据所需要的水凝胶类型而定。相应采用的离子交联剂b为阴离子交联剂或阳离子交联剂。
11、式i所示的是一种骨架含阳离子的共轭聚合物，为了保证其良好的水溶性，优先选择单体片段中含有两个阳离子，并且抗离子为氯离子的结构，其他共轭基团也能保证较好的水溶性，因此侧链优选亲水基团。
12、
13、式i中，ar1代表芳基、杂芳基或其他共轭基团；ar2存在或不存在，当ar2存在时，其代表芳基、杂芳基或其他共轭基团；r1和r2相同或不同，独立选自氢、卤素(f、cl、br、i)、氰基、硝基、烷氧基、聚乙二醇基；n为正整数，代表聚合物的聚合度，优选为10-50。
14、上述芳基，优选为c6-c30的芳基，例如苯基、联苯基、萘基、蒽基等。
15、上述杂芳基，优选为c2-c26的杂芳基，例如吡啶基、噻吩基、吡嗪基、哌嗪基等。
16、上述其他共轭基团一般是c2-c26的含有碳碳双键的共轭基团，例如-c＝c-，-c＝c-c＝c-。
17、上述烷氧基，优选为c1-c18本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种半导体水凝胶，其特征在于，该半导体水凝胶含有由具有半导体性能的水溶性共轭聚合物经离子交联制备得到的水凝胶，所述具有半导体性能的水溶性共轭聚合物为骨架含有阳离子的共轭聚合物或含有阴离子侧链的共轭聚合物。
2.如权利要求1所述的半导体水凝胶，其特征在于，该半导体水凝胶含有由式I所示的阳离子共轭聚合物和式II所示的阴离子交联剂经离子交联而制备得到水凝胶；
3.如权利要求2所述的半导体水凝胶，其特征在于，式I和式II中，所述芳基为C6-C30的芳基，所述杂芳基为C2-C26的杂芳基，所述其他共轭基团为C2-C26的含有碳碳双键的共轭基团，所述烷氧基为C1-C18的烷氧基，所述聚乙二醇基为C2-C18的聚乙二醇基，所述环烷基为C3～C8环烷基。
4.如权利要求2所述的半导体水凝胶，其特征在于，式I所示的阳离子共轭聚合物选自下列聚合物中的一种或多种：
5.如权利要求2所述的半导体水凝胶，其特征在于，式II所示的阴离子交联剂选自下列化合物中的一种或多种：
6.如权利要求1所述的半导体水凝胶，其特征在于，该半导体水凝胶含有由式I
7.如权利要求6所述的半导体水凝胶，其特征在于，式III所示的带阴离子侧链的共轭聚合物选自下列聚合物中的一种或多种：
8.如权利要求6所述的半导体水凝胶，其特征在于，所述阳离子交联剂选自下列化合物中的一种或多种：
9.如权利要求1所述的半导体水凝胶，其特征在于，所述半导体水凝胶为单网络水凝胶，只含有具有半导体性能的水溶性共轭聚合物经离子交联形成的单一网络；或者，所述半导体水凝胶为多网络水凝胶，除了具有半导体性能的水溶性共轭聚合物经离子交联形成的网络外，还交叉有一种或多种其他聚合物形成的水凝胶网络。
10.如权利要求9所述的半导体水凝胶，其特征在于，所述其他聚合物是水凝胶常用的亲水聚合物，包括但不限于：聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯；或者是生物功能聚合物，包括但不限于：聚乙烯醇、壳聚糖、明胶、甲基丙烯酸酐化明胶、海藻酸钠、琼脂糖。
11.一种单网络半导体水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
12.一种多网络半导体水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
13.一种电化学晶体管，包括衬底、源极、漏极、栅极、半导体层、封装层和电解质，其特征在于，所述半导体层的材料为权利要求1～10任一所述的半导体水凝胶。
14.一种逻辑电路，其特征在于，所述逻辑电路中含有以权利要求1～10任一所述的半导体水凝胶为半导体层的器件。
15.一种信号放大器，是制备在柔性基底上的反相器，包括一个n型晶体管和一个p型晶体管，其特征在于，所述晶体管为电化学晶体管，其半导体层材料为权利要求1～10任一所述的半导体水凝胶。
16.权利要求15所述的信号放大器在电生理信号检测系统中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种半导体水凝胶，其特征在于，该半导体水凝胶含有由具有半导体性能的水溶性共轭聚合物经离子交联制备得到的水凝胶，所述具有半导体性能的水溶性共轭聚合物为骨架含有阳离子的共轭聚合物或含有阴离子侧链的共轭聚合物。
2.如权利要求1所述的半导体水凝胶，其特征在于，该半导体水凝胶含有由式i所示的阳离子共轭聚合物和式ii所示的阴离子交联剂经离子交联而制备得到水凝胶；
3.如权利要求2所述的半导体水凝胶，其特征在于，式i和式ii中，所述芳基为c6-c30的芳基，所述杂芳基为c2-c26的杂芳基，所述其他共轭基团为c2-c26的含有碳碳双键的共轭基团，所述烷氧基为c1-c18的烷氧基，所述聚乙二醇基为c2-c18的聚乙二醇基，所述环烷基为c3～c8环烷基。
4.如权利要求2所述的半导体水凝胶，其特征在于，式i所示的阳离子共轭聚合物选自下列聚合物中的一种或多种：
5.如权利要求2所述的半导体水凝胶，其特征在于，式ii所示的阴离子交联剂选自下列化合物中的一种或多种：
6.如权利要求1所述的半导体水凝胶，其特征在于，该半导体水凝胶含有由式iii所示的带阴离子侧链的共轭聚合物和阳离子交联剂经离子交联而制备得到水凝胶；
7.如权利要求6所述的半导体水凝胶，其特征在于，式iii所示的带阴离子侧链的共轭聚合物选自下列聚合物中的一种或多种：
8.如权利要求6所述的半导体水凝胶，其特征在于，所述阳离子交联剂选自下列化合物中的一种或...
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