垂直型纤维基有机电化学晶体管及其制备方法

本发明涉及有机电化学晶体管，尤其涉及一种垂直型纤维基有机电化学晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，许多科研工作者都开始聚焦于研究纤维基有机电化学晶体管，该晶体管可应用于逻辑电路、人工突触等领域。衡量有机电化学晶体管性能最重要的参数之一就是跨导，跨导值越大就意味着其对输入信号的放大程度越大；对于如何提高跨导值，成为了学者们的研究重点。据报道，对于耗尽型有机电化学晶体管而言，沟道结构及相关参数成为限制跨导值的主要因素。发明专利(申请号为201911245752.3)公开了一种垂直结构的有机电化学晶体管及其制备方法，该制备方法通过旋涂工艺沉积有源层薄膜并退火，来制得有源层，其有源层厚度即沟道长度控制在100～600nm；虽然该方法缩短了晶体管的沟道长度，但是该晶体管的基材是玻璃或树脂材料等可以实现退火工艺的材料，该工艺在纤维基晶体管的制备中是不可取的，且整体制备工艺复杂，难以实现工业化量产。

2、目前，已有相关报道，通过增加有机电化学沟道宽度来提高其性能，但对于纤维基有机电化学晶体管而言，纤维的直径是固定的；也有通过增加有机电化学晶体管沟道厚度来提高其性能，但这会降低有机电化学晶体管的响应速度，不利于后面的应用。受到纤维基有机电化学晶体管制备工艺的影响，其沟道尺寸的控制较难实现，所以如何减小纤维基有机电化学晶体管的沟道尺寸就显得尤为重要。

3、发明专利(申请号为201911375393.3)公开了一种纤维状垂直沟道晶体管及其制备方法，该晶体管的半导体层为垂直设置于晶体管表面厚度为100～140nm的结构，其载流子传输沟道长度(沟道长度)为半导体层的厚度，实现了缩短沟道尺寸的目的；但是沟道尺寸的缩短往往容易发生短沟道效应，并引发陷阱效应，使得晶体管的性能和可靠性发生退化，进而使晶体管的使用寿命和应用领域受到限制。现有技术中暂时还没有一种可以在实现纤维基有机电化学晶体管沟道尺寸参数控制的同时，还能有效减缓短沟道效应，减少陷阱，而保证晶体管性能的方法。

4、有鉴于此，有必要设计一种改进的垂直型纤维基有机电化学晶体管及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种垂直型纤维基有机电化学晶体管及其制备方法，以导电纤维为基材，制备垂直型晶体管结构，并通过控制绝缘层的厚度来控制沟道的尺寸，有利于电子的传输与迁移，同时避免短沟道效应的发生，相比于传统的纤维基晶体管，减少结构引起的陷阱，提高纤维基有机电化学晶体管的性能。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种垂直型纤维基有机电化学晶体管，包括导电纤维，所述导电纤维的一端表面设有第一导电层作为源极，所述导线纤维的圆筒形表面设有绝缘层，所述绝缘层与所述导电纤维同轴设置；所述绝缘层的表面设有第二导电层作为漏极，所述漏极与所述源极之间设有源层作为沟道；该晶体管还包括第二导电纤维作为栅极，所述栅极与所述源极、漏极之间设有凝胶电解质。

3、作为本发明的进一步改进，作为源极的所述第一导电层与作为漏极的所述第二导电层相互垂直；所述绝缘层的厚度大于10nm，所述绝缘层的厚度为所述漏极与所述源极之间的垂直距离，为所述沟道的长度。

4、作为本发明的进一步改进，所述第二导电层与所述绝缘层、导电纤维均为同轴设置。

5、作为本发明的进一步改进，所述有源层为pedot:pss与氧化石墨烯的混合物，所述pedot:pss与氧化石墨烯的体积比为(0.5～2):1。

6、作为本发明的进一步改进，所述pedot:pss的浓度为1wt％～2wt％；所述氧化石墨烯的浓度为0.1wt％～0.5wt％。

7、作为本发明的进一步改进，所述导电纤维包括碳纤维、复合导电纤维或柔性导电纤维中的一种。

8、作为本发明的进一步改进，所述凝胶电解质包括聚乙烯醇、聚对苯乙烯磺酸钠、乙二醇、山梨醇和去离子水中的几种或全部。

9、作为本发明的进一步改进，所述绝缘层包括硅橡胶、绝缘漆或透明胶的一种或多种。

10、作为本发明的进一步改进，所述第一导电层和第二导电层包括银浆、铜颗粒、铂金、银纳米线、导电胶带中的一种。

11、本发明还提供了一种垂直型纤维基有机电化学晶体管的制备方法，包括以下步骤：

12、s1、将导电纤维进行表面去污处理，烘干备用；

13、s2、将步骤s1的所述导电纤维一端表面涂覆导电物质形成第一导电层，作为源极；

14、s3、将经步骤s2处理后的导电纤维的同轴外表面涂覆绝缘物质，干燥后形成绝缘层，在所述绝缘层的外表层继续涂覆导电物质形成第二导电层，作为晶体管的漏极；在所述漏极和源极之间滴加高分子聚合物溶液，形成有源层，作为沟道；

15、s4、取第二导电纤维作为栅极，滴加凝胶电解质，并与步骤s3处理后的以导电纤维为基材的源漏极组装为晶体管，即得垂直型纤维基有机电化学晶体管。

16、本发明的有益效果是：

17、1、本发明的垂直型纤维基有机电化学晶体管，包括导电纤维，导电纤维的一端表面设有第一导电层作为源极，导线纤维的圆筒形表面设有绝缘层，绝缘层与导电纤维同轴设置；绝缘层的表面设有第二导电层作为漏极，漏极与源极之间设有源层作为沟道；该晶体管还包括第二导电纤维作为栅极，栅极与源极、漏极之间设有凝胶电解质。本发明通过制备垂直型的晶体管结构，并控制沟道的尺寸，实现了短沟道有利于电子的传输与迁移的同时，减少了晶体管短沟道效应的发生；且该垂直型纤维基有机电化学晶体管相比于传统的纤维基晶体管，结构引起的陷阱减少，提高了晶体管的性能，该晶体管可广泛应用于智能可穿戴和生物传感器等领域。

18、2、本发明的垂直型纤维基有机电化学晶体管的制备方法中，通过将源极设于导电纤维的一端表面，绝缘层设于导电纤维同轴表面，而漏极涂覆在绝缘层的表面，绝缘层的厚度成为源极和漏极之间的垂直距离，且在源漏极之间设置有源层作为沟道，则沟道的长度即为绝缘层的厚度；所以通过控制绝缘层的厚度就可以控制晶体管的沟道长度，实现了沟道长度任意尺寸的控制，且方法简单易实施，便于批量生产，具有较好的工业化应用前景。

19、3、本发明通过将漏极与绝缘层、导电纤维同轴设置，漏极与源极之间的沟道为圆环形状，相当于在缩短沟道长度的同时，加宽了沟道的厚度，减缓了因沟道长度变短带来的短沟道效应，降低了对有机电化学晶体管的响应速度的不利影响；且该垂直型纤维基晶体管的结构，可以减少结构带来的缺陷效应，显著降低了缺陷效应以及短沟道效应对晶体管稳定性和可靠性可能带来的不利影响，制得了综合性能优异的垂直型纤维基有机电化学晶体管，延长了晶体管的使用寿命，扩宽了其应用领域。

20、4、本发明提供的垂直型纤维基有机电化学晶体管的制备方法，通过在纤维上涂覆或者喷涂绝缘物，并控制其厚度来减小沟道长度，操作简单、组装材料低廉易得，为晶体管的后续实际应用提供了无限的可能。

技术特征：

1.一种垂直型纤维基有机电化学晶体管，其特征在于，包括导电纤维，所述导电纤维的一端表面设有第一导电层作为源极，所述导线纤维的圆筒形表面设有绝缘层，所述绝缘层与所述导电纤维同轴设置；所述绝缘层的表面设有第二导电层作为漏极，所述漏极与所述源极之间设有源层作为沟道；该晶体管还包括第二导电纤维作为栅极，所述栅极与所述源极、漏极之间设有凝胶电解质。

2.根据权利要求1所述的垂直型纤维基有机电化学晶体管，其特征在于，作为源极的所述第一导电层与作为漏极的所述第二导电层相互垂直；所述绝缘层的厚度大于10nm，所述绝缘层的厚度为所述漏极与所述源极之间的垂直距离，为所述沟道的长度。

3.根据权利要求1所述的垂直型纤维基有机电化学晶体管，其特征在于，所述第二导电层与所述绝缘层、导电纤维均为同轴设置。

4.根据权利要求1所述的垂直型纤维基有机电化学晶体管，其特征在于，所述有源层为pedot:pss与氧化石墨烯的混合物，所述pedot:pss与氧化石墨烯的体积比为(0.5～2):1。

5.根据权利要求4所述的垂直型纤维基有机电化学晶体管，其特征在于，所述pedot:pss的浓度为1wt％～2wt％；所述氧化石墨烯的浓度为0.1wt％～0.5wt％。

6.根据权利要求1所述的垂直型纤维基有机电化学晶体管，其特征在于，所述导电纤维包括碳纤维、复合导电纤维或柔性导电纤维中的一种。

7.根据权利要求1所述的垂直型纤维基有机电化学晶体管，其特征在于，所述凝胶电解质包括聚乙烯醇、聚对苯乙烯磺酸钠、乙二醇、山梨醇和去离子水中的几种或全部。

8.根据权利要求1所述的垂直型纤维基有机电化学晶体管，其特征在于，所述绝缘层包括硅橡胶、绝缘漆或透明胶的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的垂直型纤维基有机电化学晶体管，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层包括银浆、铂金、银纳米线、导电胶带中的一种。

10.一种权利要求1～9中任一项所述的垂直型纤维基有机电化学晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种垂直型纤维基有机电化学晶体管及其制备方法，晶体管包括导电纤维，导电纤维的一端表面设有第一导电层作为源极，导线纤维的表面设有绝缘层，绝缘层与导电纤维同轴设置；绝缘层的表面设有第二导电层作为漏极，漏极与源极之间设有源层作为沟道；该晶体管还包括第二导电纤维作为栅极，栅极与源极、漏极之间设有凝胶电解质。本发明通过制备垂直型晶体管结构，控制绝缘层的厚度实现沟道长度的调节，实现了短沟道有利于电子的传输与迁移的同时，减少了短沟道效应的发生；且该垂直型纤维基有机电化学晶体管相比于传统的纤维基晶体管，结构引起的陷阱减少，提高了晶体管的性能，该晶体管可广泛应用于智能可穿戴和生物传感器等领域。

技术研发人员：王栋,王跃丹,陶洋,郝盼盼,李沐芳,江威,李梦杰
受保护的技术使用者：武汉纺织大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13