研究背景
具有皮肤模拟机械和传感特性的电子(E) 皮肤设备，表明在医疗诊断、生理监测、植入式治疗和人机界面方面具有诱人的潜在应用。在现有的各种电子器件中，有机薄膜晶体管(OTFTs) 由于其突出的优势，如高灵敏度、良好的噪声消除能力、大面积解决方案的可加工性、与柔性基材的良好兼容性，以及作为开关、放大器、传感器、电路驱动器和集成系统的独特功能而处于领先地位。特别是近年来，作为一种新兴的皮肤启发电子技术，内在可拉伸的OTFTs (ISOTFTs) 已经表现出优异的机械应变能力和保形的皮肤接触。然而，到目前为止报道的ISOTFTs动态性能有限，除非采用高工作电压(一般为30-80 V)来缓解高接触电阻和大的寄生电容，这远远超过了人类健康所需的绝对安全电压值(12V)。苏州医疗器械展Medtec China了解到高工作电压是由两个不可避免的属性造成的，即大的介电层厚度(一般超过1500 nm)和普通介电弹性体的低介电常数(2-2.5)。目前制备低压晶体管的策略主要基于两类: (1)减薄传统的电介质，(2)使用高介电常数(高k)绝缘体材料。薄化电介质层可以有效地降低具有不可估量的小漏电流的OTFT的工作电压，如混合氧化铝(AIOx) /有机自组装单层(SAM) 栅极电介质。然而，AlOx/SAM栅极电介质由于其坚硬和易碎的性质，很难被应用于可拉伸晶体管。另外，高k的栅极绝缘体，如离子凝胶和聚电解质，被广泛地用作柔性/可拉伸有机晶体管的电介质材料，由于其电双层效应，可将晶体管的工作电压大大降低到几伏。然而，它们缓慢的离子极化和微弱的寄生效应通常会导致晶体管的开关延迟、大滞后、小的开/关电流比和高的关电流。这严重限制了它们在电子皮肤生物传感器和放大器电路中的应用。此外，这些电解质绝缘体的机械相容性较差，而且极易受潮。因此， 开发用于低电压和高性能ISOTFT的高效栅极电介质材料是低能耗可穿戴电子产品的迫切需求，但也是一个相当大的挑战。
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研究成果可伸缩性是电子皮肤设备的一个先决条件。然而，最先进的可拉伸薄膜晶体管不具备足够低的工作电压和良好的稳定性，大大限制了它们在现实世界中的生物医学应用。在此，化学所郭云龙研究员&清华大学Chen Jiang教授联合提出了一种范德瓦尔斯控制弹性体/碳量子点界面极化的方法，以形成具有620%拉伸应变和大面积薄膜均匀性(>A4 纸大小)的混合聚合物电介质。使用混合聚合物电介质，所制备的本征可拉伸有机薄膜晶体管表现出低于5 V的低工作电压，100%的应变能力和出色的操作稳定性，以及105的高导通/关断电流比和500 mV dec-1的陡峭亚阈值斜率。基于这种器件技术，实现了一个具有90 V/V高增益的放大器，是已报道的可拉伸晶体管的最高值。该放大器首次应用于检测人体电生理信号，其输出信号振幅超过0.2 V，甚至超过了其他类型的用于人体电生理监测的最先进有机放大器。这种可拉伸装置技术充分满足了可穿戴生物医学应用的安全性和便携性要求，为具有信号控制和放大功能的电子皮肤提供了新的机会。相关研究以“Low-Voltage Intrinsically Stretchable Organic Transistor Amplifiers for Ultrasensitive Electrophysiological Signal Detection”为题发表在Advanced Materials期刊上。
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研究亮点1. 提出了一种新的方法来制备高度可拉伸的混合聚合物电介质，即范德瓦尔斯控制的CQD和弹性体基体之间的界面极化。2. ISOTFT 放大器首次被应用于电生理信号的敏感检测，这种器件技术提供了第一个具有低工作电压和高操作稳定性的可拉伸晶体管，呈现出一种新形式的器件和电路，可以随时部署在皮肤上进行信号控制、处理和放大。
来源： i学术i科研