一种基于有机薄膜晶体管的可拉伸突触及其制备方法与流程

本发明涉及有机光电材料领域，特别是一种基于有机薄膜晶体管的可拉伸突触及其制备方法。

背景技术：

人脑由大量的突触和神经元构成，是强大的信息处理器，具有并行处理、高密度、容错等突出特点。突触作为生物大脑的基本组成单元，连接着突触前神经元和突触后神经元，负责人类大脑的学习和记忆。因此，对神经形态计算未来的发展而言，开发能够模拟突触功能的电子突触具有很高的需求。

传统的基于cmos结构的电子突触，存在工艺复杂、成本高和功耗大等问题。近几年发展起来的两端突触器件，简化了器件结构，提升了集成度，但需要额外的训练电路来实现突触的同时学习和处理功能。相比之下，三端器件，即，基于有机薄膜晶体管的突触，由于栅压对源漏电压的调控作用从而可以同时实现处理和记忆功能，这有效地简化了学习方案，消除了复杂的同步算法。因此，基于晶体管结构的三端电子突触的成功制备具有重要的意义。

值得注意的是，随着柔性可拉伸电子的发展，其在生物可植入、人机交互界面等方面的应用越来越多，这就要求器件具有良好的机械兼容性，可以承受大的机械形变。因此，制备高性能的可拉伸器件对推动柔性可拉伸电子的发展至关重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于有机薄膜晶体管的可拉伸突触及其制备方法，可以有效的推动柔性可拉伸电子在生物可植入、人机交互界面和可穿戴等方面的发展。

本发明采用以下方案实现：一种基于有机薄膜晶体管的可拉伸突触，由下至上依次包括可拉伸复合共面栅衬底、褶皱形的有机半导体层以及离子凝胶绝缘层。

进一步地，所述可拉伸复合共面栅衬底是由聚二甲基硅氧烷（pdms）薄膜与设置于其上的图案化的共面电极构成。

其中，所述共面电极包括源极、漏极和栅极。

制备时，所述有机半导体层在离子凝胶绝缘层表面，通过将离子凝胶绝缘层从衬底表面剥离，并翻转层压在预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底上，然后释放衬底即可获得共面栅结构的有机薄膜晶体管可拉伸突触，其中，层压时需要保证离子凝胶绝缘层和栅极接触，根据离子凝胶的长程极化作用及栅压对离子迁移的调控即可用该器件模拟突触功能。

进一步地，所述图案化的共面电极是结合掩模板通过喷涂碳纳米管（cnts）制备的，厚度为30nm至100nm。

或者，所述图案化的共面电极是结合掩模板通过喷涂银纳米线（agnw）制备的，厚度为30nm至100nm。

进一步地，所述褶皱形（波浪形）的有机半导体层是将半导体层转印到预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底然后释放得到的。所述褶皱形（波浪形）纳米纤维有机半导体层可以吸收外力，缓解外力对薄膜的机械损伤，提升薄膜的机械稳定性，从而提升器件的可拉伸能力。

进一步地，所述有机半导体层为纳米纤维薄膜，厚度为30nm-50nm。

进一步地，所述离子凝胶绝缘层的厚度为1μm至3μm，通过旋涂或刮涂制备。所述离子凝胶绝缘层，由于自身具有长程极化特性，可以在共面栅结构中实现栅压对沟道载流子的非对准调控，摆脱传统有机薄膜晶体管结构中栅极和源漏电极对准的限制。

进一步地，所述有机半导体层在转印至可拉伸复合共面栅衬底上时经过图案化处理使得所述离子凝胶绝缘层与可拉伸复合共面栅衬底上的栅极接触。

本发明还提供了一种有机薄膜晶体管的可拉伸突触的制备方法，包括以下步骤：

制备可拉伸复合共面栅衬底；

制备离子凝胶绝缘层与有机半导体层；

将离子凝胶绝缘层与有机半导体层转印层压至预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底上；

释放预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底。

进一步地，在将离子凝胶绝缘层与有机半导体层转印层压至可拉伸复合共面栅衬底上时，对有机半导体层进行图案化处理，使得层压时离子凝胶绝缘层与可拉伸复合共面栅衬底上的栅极接触。

上述制备方法具体包括以下步骤：

步骤s11：将衬底清洗干净后并进行适当的表面处理，所述衬底的材质为玻璃或者硅片；

步骤s12：采用喷涂工艺结合掩模板，在所述衬底上制备图案化的共面电极，电极厚度为30nm至100nm，源漏电极间沟道长宽分别为1mm，30μm；

步骤s13：采用旋涂或刮涂工艺在所述共面电极上制备pdms薄膜；

步骤s14：将所述pdms薄膜从衬底剥离获得可拉伸复合共面栅衬底；

步骤s15：采用旋涂或刮涂工艺在步骤s11所述衬底上制备离子凝胶绝缘层；

步骤s16：采用旋涂或刮涂工艺在所述离子凝胶绝缘层表面制备有机半导体层；

步骤s17：将离子凝胶绝缘层从衬底上剥离，并将其翻转后转印层压到预拉伸的步骤s14制备的可拉伸复合共面栅衬底上，层压时注意保证离子凝胶绝缘层和栅极接触；

步骤s18：缓慢释放步骤s17中的预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底。

具体的，在步骤s11中，所述衬底的清洗方法为：在丙酮、异丙醇及去离子水中分别超声清洗5-10min后，用氮气吹干备用，表面处理方法为：等离子处理5-10min或者十八烷基辛基三氯硅烷（ots）处理20min左右；ots处理工艺：在干净的培养皿中将ots和甲苯按一定体积比混合后放入待处理衬底，加热熏蒸20min左右，取出处理后的样品分别用甲苯和异丙醇冲洗，用氮气吹干备用；

在步骤s12中，制备图案化的共面电极的具体方法是：调整好喷枪顶针和喷口的距离，将衬底放置在100-120℃加热台上进行预热，在样品表面固定掩模板后进行喷涂，喷涂结束后对制备的电极进行120-150℃退火以提升其导电性；选用的碳纳米管喷涂溶液是将碳纳米管原液与去离子水按一定体积比混合均匀，然后静止备用；选用的银纳米线喷涂溶液，是将银纳米线原液用异丙醇稀释后静止备用；

在步骤s13中，pdms薄膜的制备方法为：将pdms原液和交联剂按一定的质量比混合均匀，抽真空去除混合液中的气泡，静置备用；在步骤s12制备的带有电极的衬底上旋涂或者刮涂pdms薄膜，然后真空箱内60~80℃退火至少24h；

在步骤s15中，离子凝胶薄膜的制备方法：在步骤s11所述衬底上以一定的转速旋涂离子凝胶绝缘层，持续60s左右，旋涂结束后将获得的薄膜放置真空箱内80-110℃退火至少12h；

在步骤s16中，有机半导体层的具体制备方法是：在所述绝缘层上以800-1000rpm的转速旋涂有机聚合物半导体层p3ht-nf，持续60s左右，旋涂结束后真空箱内150℃左右退火10-15min；有机半导体溶液的配置：选用三氯甲烷为溶剂，配置一定浓度的p3ht溶液,然后将溶液置于加热台上加热以加速p3ht的溶解，将完全溶解后的p3ht溶液和四氢呋喃按照一定体积比进行混合，将共混的溶液高速磁力搅拌至少12h后静置备用。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提供的一种基于有机薄膜晶体管的可拉伸突触及其制备方法不仅提升了可拉伸器件的机械稳定性，同时，由于离子凝胶的长程极化作用，降低了工艺难度，摆脱了有机薄膜晶体管中栅极必须和源漏电极沟道的对准问题。根据栅压可以对离子凝胶中离子的迁移进行调控，从而控制沟道内载流子的浓度，本发明的器件可模拟突触功能，对人机交互、生物医疗及神经形态计算等的发展具有重要的意义，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例一制备的基于有机薄膜晶体管可拉伸突触的结构示意图；

图2是本发明实施例一制备的可拉伸复合共面栅衬底；

图3是本发明实施例二制备的基于有机薄膜晶体管可拉伸突触的结构示意图；

图4是本发明实施例二制备的可拉伸复合共面栅衬底；

图中：100为pdms薄膜；110为碳纳米管制备的共面电极；111为银纳米线制备的共面电极；120为有机半导体层；130为离子凝胶绝缘层；140为可拉伸复合共面栅衬底；150为栅极；160为源极；170为漏极。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例提供了一种基于有机薄膜晶体管的可拉伸突触，由下至上依次包括可拉伸复合共面栅衬底、褶皱形的有机半导体层以及离子凝胶绝缘层。

在本实施例中，所述可拉伸复合共面栅衬底是由聚二甲基硅氧烷（pdms）薄膜与设置于其上的图案化的共面电极构成。

其中，所述共面电极包括源极、漏极和栅极。

制备时，所述有机半导体层在离子凝胶绝缘层表面，通过将离子凝胶绝缘层从衬底表面剥离，并翻转层压在预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底上，然后释放衬底即可获得共面栅结构的有机薄膜晶体管可拉伸突触，其中，层压时需要保证离子凝胶绝缘层和栅极接触，根据离子凝胶的长程极化作用及栅压对离子迁移的调控即可用该器件模拟突触功能。

在本实施例中，所述图案化的共面电极是结合掩模板通过喷涂碳纳米管（cnts）制备的，厚度为30nm至100nm。

或者，所述图案化的共面电极是结合掩模板通过喷涂银纳米线（agnw）制备的，厚度为30nm至100nm。

在本实施例中，所述褶皱形（波浪形）的有机半导体层是将半导体层转印到预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底然后释放得到的。所述褶皱形（波浪形）纳米纤维有机半导体层可以吸收外力，缓解外力对薄膜的机械损伤，提升薄膜的机械稳定性，从而提升器件的可拉伸能力。

在本实施例中，所述有机半导体层为纳米纤维薄膜，厚度为30nm-50nm。

在本实施例中，所述离子凝胶绝缘层的厚度为1μm至3μm，通过旋涂或刮涂制备。所述离子凝胶绝缘层，由于自身具有长程极化特性，可以在共面栅结构中实现栅压对沟道载流子的非对准调控，摆脱传统有机薄膜晶体管结构中栅极和源漏电极对准的限制。

在本实施例中，所述有机半导体层在转印至可拉伸复合共面栅衬底上时经过图案化处理使得所述离子凝胶绝缘层与可拉伸复合共面栅衬底上的栅极接触。

本实施例还提供了一种有机薄膜晶体管的可拉伸突触的制备方法，包括以下步骤：

制备可拉伸复合共面栅衬底；

制备离子凝胶绝缘层与有机半导体层；

将离子凝胶绝缘层与有机半导体层转印层压至预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底上；

释放预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底。

在本实施例中，在将离子凝胶绝缘层与有机半导体层转印层压至可拉伸复合共面栅衬底上时，对有机半导体层进行图案化处理，使得层压时离子凝胶绝缘层与可拉伸复合共面栅衬底上的栅极接触。

上述制备方法具体包括以下步骤：

步骤s11：将衬底清洗干净后并进行适当的表面处理，所述衬底的材质为玻璃或者硅片；

步骤s12：采用喷涂工艺结合掩模板，在所述衬底上制备图案化的共面电极，电极厚度为30nm至100nm，源漏电极间沟道长宽分别为1mm，30μm；

步骤s13：采用旋涂或刮涂工艺在所述共面电极上制备pdms薄膜；

步骤s14：将所述pdms薄膜从衬底剥离获得可拉伸复合共面栅衬底；

步骤s15：采用旋涂或刮涂工艺在步骤s11所述衬底上制备离子凝胶绝缘层；

步骤s16：采用旋涂或刮涂工艺在所述离子凝胶绝缘层表面制备有机半导体层；

步骤s17：将离子凝胶绝缘层从衬底上剥离，并将其翻转后转印层压到预拉伸的步骤s14制备的可拉伸复合共面栅衬底上，层压时注意保证离子凝胶绝缘层和栅极接触；

步骤s18：缓慢释放步骤s17中的预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底。

具体的，在步骤s11中，所述衬底的清洗方法为：在丙酮、异丙醇及去离子水中分别超声清洗5-10min后，用氮气吹干备用，表面处理方法为：等离子处理5-10min或者十八烷基辛基三氯硅烷（ots）处理20min左右；ots处理工艺：在干净的培养皿中将ots和甲苯按一定体积比混合后放入待处理衬底，加热熏蒸20min左右，取出处理后的样品分别用甲苯和异丙醇冲洗，用氮气吹干备用；

在步骤s12中，制备图案化的共面电极的具体方法是：调整好喷枪顶针和喷口的距离，将衬底放置在100-120℃加热台上进行预热，在样品表面固定掩模板后进行喷涂，喷涂结束后对制备的电极进行120-150℃退火以提升其导电性；选用的碳纳米管喷涂溶液是将碳纳米管原液与去离子水按一定体积比混合均匀，然后静止备用；选用的银纳米线喷涂溶液，是将银纳米线原液用异丙醇稀释后静止备用；

在步骤s13中，pdms薄膜的制备方法为：将pdms原液和交联剂按一定的质量比混合均匀，抽真空去除混合液中的气泡，静置备用；在步骤s12制备的带有电极的衬底上旋涂或者刮涂pdms薄膜，然后真空箱内60~80℃退火至少24h；

在步骤s15中，离子凝胶薄膜的制备方法：在步骤s11所述衬底上以一定的转速旋涂离子凝胶绝缘层，持续60s左右，旋涂结束后将获得的薄膜放置真空箱内80-110℃退火至少12h；

在步骤s16中，有机半导体层的具体制备方法是：在所述绝缘层上以800-1000rpm的转速旋涂有机聚合物半导体层p3ht-nf，持续60s左右，旋涂结束后真空箱内150℃左右退火10-15min；有机半导体溶液的配置：选用三氯甲烷为溶剂，配置一定浓度的p3ht溶液,然后将溶液置于加热台上加热以加速p3ht的溶解，将完全溶解后的p3ht溶液和四氢呋喃按照一定体积比进行混合，将共混的溶液高速磁力搅拌至少12h后静置备用。

特别的，下面结合说明书附图提供两个具体的实施例进行阐述。

实施例一。

如图1所示，本实施例提供了一种基于有机薄膜晶体管的可拉伸突触的结构，该器件自下而上包括可拉伸复合共面栅衬底140、离子凝胶绝缘层130及有机半导体层120；其中，可拉伸复合共面栅衬底由pdms薄膜100和图案化的共面电极110构成；有机半导体层在离子凝胶绝缘层表面，通过将离子凝胶薄膜从衬底表面剥离后，将其层压在预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底表面，然后缓慢释放，获得晶体管结构的可拉伸突触，其中层压时保证离子凝胶和栅极150接触；缓慢释放后获得的波纹状纤维半导体层可以吸收外力，提升薄膜的拉伸稳定性。离子凝胶绝缘层在本发明结构中由于自身具有长程极化的特性，可以通过共面栅结构实现栅压对沟道载流子的调控作用，而摆脱传统结构中栅极必须和源漏电极够到对准的限制。同时，由于栅压可以调控离子凝胶薄膜中离子的迁移，因此，可以通过调控栅压，控制离子凝胶薄膜中离子的迁移从而调控沟道载流子的数量，最终影响源漏电流的大小，用于模拟突触的性能。

如图2所示，本实施例提供的可拉伸复合共面栅衬底140是由共面电极110和pdms薄膜100构成。

本实施例选用的有机半导体层，是p3ht溶液和四氢呋喃共混制备的纳米纤维薄膜。

作为本实施例的优选方案，图案化的共面电极110是结合掩模板通过喷涂碳纳米管（cnts）制备，厚度为30nm至100nm，其中图案化源漏电极间沟道长宽分别为1mm，30μm；pdms薄膜100通过旋涂或刮涂制备，厚度为3mm至5mm。

绝缘层130材料为离子凝胶，通过旋涂或刮涂制备，厚度为1μm至3μm。

离子凝胶绝缘层130，由于自身具有长程极化特性，可以在共面栅结构中实现栅压对沟道载流子的非对准调控，摆脱传统有机薄膜晶体管结构中栅极和源漏电极对准的限制。

离子凝胶绝缘层130转印层压时需和共面栅结构中的栅极150接触。

有机半导体层120为波浪形纳米纤维薄膜，厚度为30nm至50nm。

波浪形纳米纤维有机半导体层是将半导体层120转印到预拉伸的可拉伸衬底140然后释放制备的。

波浪形纳米纤维有机半导体层可以吸收外力，缓解外力对薄膜的机械损伤，提升薄膜的机械稳定性，从而提升器件的可拉伸能力。

本实施例的制备方案如下：

步骤s11：将衬底清洗干净后并进行适当的表面处理，所述衬底的材质为玻璃或者硅片；

步骤s12：采用喷涂工艺结合掩模板，在所述衬底上制备图案化的碳纳米管共面电极110，电极厚度为30nm至100nm，源漏电极间沟道长宽分别为1mm，30μm；

步骤s13：采用旋涂或刮涂工艺在所述共面电极110上制备pdms薄膜100；

步骤s14：将所述pdms薄膜从衬底剥离获得可拉伸复合共面栅衬底140；

步骤s15：采用旋涂或刮涂工艺在步骤s11所述衬底上制备离子凝胶绝缘层130；

步骤s16：采用旋涂或刮涂工艺在所述离子凝胶绝缘层表面制备有机半导体层120；

步骤s17：将离子凝胶绝缘层从衬底上剥离，并将其转印层压到预拉伸的步骤s14制备的可拉伸复合共面栅衬底140上，层压时注意保证离子凝胶绝缘层和栅极接触；

步骤s18：缓慢释放步骤s17中的预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底140。

作为更优选的方案，在步骤s11中，所述衬底的尺寸为1.5cm×2cm，清洗的方法为：在丙酮、异丙醇及去离子水中分别超声清洗十分钟后，用氮气吹干备用，表面处理方法为：等离子处理10min或者ots处理20min；ots处理工艺：在干净的培养皿中将十八烷基辛基三氯硅烷(ots)和甲苯按23μl：10ml混合后放入待处理衬底，60℃加热20min，取出处理后的样品分别用甲苯和异丙醇冲洗，用氮气吹干备用；

在步骤s12中，制备图案化的共面电极110的具体方法是：调整好喷枪顶针和喷口的距离，将衬底放置在120℃加热台上进行预热，在样品表面固定掩模板后进行喷涂，喷涂结束后对制备的电极进行150℃退火以提升其导电性；选用的碳纳米管喷涂溶液配比是：原液碳纳米管：去离子水=1ml：20ml，混合均匀后静止备用；

在步骤s13中，pdms薄膜100的制备方法为：将pdms原液和交联剂按1：10的质量比混合均匀，抽真空去除混合液中的气泡，静置备用；在步骤s12制备的带有电极的衬底上旋涂或者刮涂pdms薄膜，然后真空箱内80℃退火24h；

在步骤s15中，离子凝胶绝缘层130薄膜的制备方法：在步骤s11所述衬底上以500rpm旋涂离子凝胶绝缘层130，持续60s，旋涂结束后将获得的薄膜放置真空箱内110℃退火12h；

在步骤s16中，有机半导体层120的具体制备方法是：在所述绝缘层130上以1000rpm旋涂有机聚合物半导体层p3ht-nf，持续60s，旋涂结束后真空箱内150℃退火10min；有机半导体溶液的配置：选用三氯甲烷为溶剂，配置10mg/ml的p3ht溶液,然后将溶液置于加热台上45℃加热8h，将完全溶解后的p3ht溶液和四氢呋喃按照体积比1：5进行混合，将共混的溶液以700rpm的转速磁力搅拌12h后静置备用。

实施例二。

如图3、图4所示，在器件结构方面，本实施例与实施例一的区别仅在于在共面电极中，将碳纳米管110替换为银纳米线111。由于银纳米线111同样具备良好的喷涂特性和导电能力且其他功能层相同，因此，本实施例与实施例一的原理相同。

在本实施例中，提供了以下的制备方案：

步骤s21：将衬底清洗干净后并进行适当的表面处理，所述衬底的材质为玻璃或者硅片；

步骤s22：采用喷涂工艺结合掩模板，在所述衬底上制备图案化的银纳米线共面电极111，电极厚度为30nm至100nm，源漏电极间沟道长宽分别为1mm，30μm；

步骤s23：采用旋涂或刮涂工艺在所述共面电极111上制备pdms薄膜100；

步骤s24：将所述pdms薄膜从衬底剥离获得可拉伸复合共面栅衬底140；

步骤s25：采用旋涂或刮涂工艺在步骤s21所述衬底上制备离子凝胶绝缘层130；

步骤s26：采用旋涂或刮涂工艺在所述离子凝胶绝缘层表面制备有机半导体层120；

步骤s27：将离子凝胶绝缘层从衬底上剥离，并将其转印层压到预拉伸的步骤s24制备的可拉伸复合共面栅衬底140上，层压时注意保证离子凝胶绝缘层和栅极接触；

步骤s28：缓慢释放步骤s27中的预拉伸的可拉伸复合共面栅衬底140。

作为更优选的方案，在步骤s21中，所述衬底的尺寸为1.5cm×2cm，清洗的方法为：在丙酮、异丙醇及去离子水中分别超声清洗十分钟后，用氮气吹干备用，表面处理方法为：等离子处理10min或者ots处理20min；ots处理工艺：在干净的培养皿中将十八烷基辛基三氯硅烷(ots)和甲苯按23μl：10ml混合后放入待处理衬底，60℃加热20min，取出处理后的样品分别用甲苯和异丙醇冲洗，用氮气吹干备用；

在步骤s22中，制备图案化的共面电极111的具体方法是：调整好喷枪顶针和喷口的距离，将衬底放置在120℃加热台上进行预热，在样品表面固定掩模板后进行喷涂，喷涂结束后对制备的电极进行150℃退火以提升其导电性；选用的银纳米线喷涂溶液，将5mg/ml的原液采用溶剂异丙醇稀释至0.5mg/ml后静止备用；

在步骤s23中，pdms薄膜100的制备方法为：将pdms原液和交联剂按1：10的质量比混合均匀，抽真空去除混合液中的气泡，静置备用；在步骤s22制备的带有电极的衬底上旋涂或者刮涂pdms薄膜，然后真空箱内80℃退火24h；

在步骤s25中，离子凝胶绝缘层130薄膜的制备方法：在步骤s21所述衬底上以500rpm旋涂离子凝胶绝缘层130，持续60s，旋涂结束后将获得的薄膜放置真空箱内110℃退火12h；

在步骤s26中，有机半导体层120的具体制备方法是：在所述绝缘层130上以1000rpm旋涂有机聚合物半导体层p3ht-nf，持续60s，旋涂结束后真空箱内150℃退火10min；有机半导体溶液的配置：选用三氯甲烷为溶剂，配置10mg/ml的p3ht溶液,然后将溶液置于加热台上45℃加热8h，将完全溶解后的p3ht溶液和四氢呋喃按照体积比1：5进行混合，将共混的溶液以700rpm的转速磁力搅拌12h后静置备用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。