一种由亚麻线制成的晶体管

导读

据美国塔夫茨大学官网近日报道，该校工程师团队开发出一种由亚麻线制成的晶体管，并创造出完全由细线制成的电子器件。

背景

如今，柔性电子的领域正在迅速扩张。大部分柔性电子器件都是通过将金属与半导体塑造成可弯曲的“波浪”结构，或者采用本质上柔软的材料例如导电聚合物来实现柔性。这些“柔软”的电子器件能够应用于一些特殊的设备，这些设备能与生物组织相容，并与之一起伸展。这些柔性电子器件可以嵌入到皮肤、心脏甚至脑组织等生物组织中。

可实时监测体内深处动脉血压的柔性超声波贴片（图片来源：参考资料【1】）

然而研究人员表示，与基于聚合物以及其他柔性材料的电子器件相比，线基电子器件在柔性以及材料多样性方面更胜一筹，且无需净室就可以制造。这种线基电子器件包括超薄、柔软的诊断设备，足以与它们正在测量的生物组织无缝地集成到一起。

创新

近日，美国塔夫茨大学的工程师团队开发出一种由亚麻线制成的晶体管，并创造出完全由细线制成的电子器件。这些细线可以编织成纺织品，穿在皮肤上，或者甚至（从理论上说）通过手术植入用于诊断监测。这种完全柔性的电子器件将开启一系列应用，顺应各种形状的物体，在自由移动时不会影响功能。

在《美国化学学会应用材料和界面（ACS Applied Materials and Interfaces）》期刊上发表的一项研究中，作者们描述了首个线基晶体管（TBT）的设计制造方法。这种晶体管可塑造成完全线基的简单逻辑电路和集成电路。这些电路取代了目前许多柔性设备最后剩余的刚性元件，当与线基传感器结合到一起时，可以创造出完全柔性的多路复用设备。

线基晶体管：碳纳米管涂覆的亚麻线在源极（S）和漏极（D）金属线之间携带电流，以响应栅极（G）检测到的电压。（图片来源：塔夫茨大学）

技术

之前，塔夫茨大学的工程师们开发了一系列线基的温度、葡萄糖、应力和光学传感器，以及可从周围组织中抽取样本或者向周围组织分发药物的“微流控”线。这项研究中开发的线基晶体管，使研究人员可创造出控制这些元件行为与响应的逻辑电路。论文作者们创造出一个称为“多路调制器（MUX）”的简单小规模集成电路，并将它连接到可检测钠和铵离子（对于心血管健康和肝肾功能来说重要的生物标记物）的线基传感器阵列上。

（图片来源：参考资料【2】）

塔夫茨大学工学院研究生、这项研究的第一作者 Rachel Owyeung 表示：“在实验室的实验中，我们能够展示我们的设备是如何监测多个位置的钠和铵浓度。从理论上说，我们可以扩大线基晶体管制成的集成电路的规模，连接大型传感器阵列，采用一个设备在多个不同的位置追踪多个生物标志物。”

制作线基晶体管（见图1）需要采用碳纳米管涂覆亚麻线，碳纳米管创造出一个半导体表面，让电子可以通过。连接亚麻线的是两根细金线：一根作为电子的“源极”；另一根作为电子从中流出的“漏极”（在某些结构中，电子可以流向其他方向）；第三根称为“栅极”的金属线连接着亚麻线周围的材料。栅极金属线上电压的微小变化，会造成大电流流过“源极”与“漏极”之间的亚麻线。以上就是这种晶体管的基本原理。

图1：线基晶体管的制造过程。a）亚麻线，b）附加上源极（S）与栅极（D）的细金线，c）用滴落涂布法在亚麻线表面涂上碳纳米管，d）施加注入电解质的凝胶（离子凝胶）栅极材料，e）附加栅极金属线（G），f）线基晶体管的剖面图。电解质EMI: 1-ethyl-3methylimidazolium TFSI: bis(trifluoromethylsulfonyl)imide
（图片来源：塔夫茨大学）

该研究中的一项关键创新就是，采用注入电解质的凝胶作为围绕亚麻线的材料，并连接着栅极金属线。在这个案例中，凝胶是由二氧化硅纳米颗粒组成，这些纳米颗粒能够自组装到网络结构中。电解质凝胶（或者离子凝胶）可以通过浸涂或者快速擦洗，轻易地沉积到亚麻线上。相比于在经典晶体管中作为栅极材料使用的固态氧化物或者聚合物，离子凝胶在拉伸或者弯曲的情况下更具弹性。

价值

塔夫茨大学工学院电气与计算机工程系教授、论文通信作者 Sameer Sonkusale 表示：“线基晶体管的开发，是制造完全柔性电子器件的重要一步。因此，我们现在可以将我们的注意力转向为将来可能的应用，来改善这些设备的设计与性能。在许多的医疗应用中，实时测量生物标记物对于治疗疾病和监测患者的健康状况来说非常重要。完全集成一种患者不易察觉的柔软可塑的诊断监测设备，将成为一种相当强大的能力。”