通過摩擦電納米發(fā)電機（TENG）可以很容易地獲取接觸起電誘導的摩擦電勢，這為調(diào)節(jié)半導體器件的電子輸運特性提供了一種有效的方法。在機械行為衍生的多功能應用方向發(fā)展出了：邏輯器件、多功能傳感器件、摩擦電子存儲器、智能柔性/可穿戴傳感器、觸覺傳感人工突觸和機械塑性神經(jīng)形態(tài)器件等。聚合物電解質(zhì)、離子液體和離子凝膠等作為柵極絕緣體材料，可以實現(xiàn)在較低柵極電壓下對短溝道效應的抑制，并有效降低器件功耗。通過在電解質(zhì)/半導體界面上形成的雙電層（EDL），形成了極強的界面電場實現(xiàn)對半導體器件的高效調(diào)控。離子凝膠已經(jīng)在基于MoS2的摩擦離-電學晶體管中得到了成功的驗證，顯示出優(yōu)異的電學性能，包括7個數(shù)量級的電流開關(guān)比，摩擦調(diào)制閾值?75 μm、 摩擦亞閾值擺幅?20?μm/dec。

與雙電層晶體管不同，有機電化學晶體管（OECT）可以更有效地利用離子注入，離子可以穿透半導體層，使得整個溝道中摻雜狀態(tài)的改變。到目前為止，用于OECT的最有希望的材料之一是低帶隙導電聚合物PEDOT，它具有高導電性、環(huán)境穩(wěn)定性和以PEDOT：PSS形式存在的水分散性等優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的電化學晶體管相比，纖維狀的OECT由于具有空氣穩(wěn)定性好、驅(qū)動電壓低、與柔性襯底兼容、成本低等優(yōu)點而備受關(guān)注。然而，目前主流的柔性/可穿戴纖維電子器件和基于OECT的器件通常都是由電信號調(diào)制的，外部環(huán)境與電子器件之間缺乏直接的相互作用。此外，實現(xiàn)智能電子紡織品的一個關(guān)鍵步驟是使功能部件的制造過程與紡織品生產(chǎn)工藝兼容。纖維狀OECT將功能性纖維與邏輯晶體管器件相結(jié)合，實現(xiàn)了導電聚合物在纖維結(jié)構(gòu)中摻雜/脫摻雜的可逆過程，為電子器件直接織入織物提供了一條更簡單的途徑，并能夠促進它們與TENG織物的集成。

在這里，提出了一種具有編織結(jié)構(gòu)的TENG織物調(diào)控的纖維狀摩擦電化學晶體管，如圖1所示。TENG產(chǎn)生的摩擦電勢可以耦合到纖維狀OECT的PEDOT:PSS通道，從而誘導可逆的摻雜/脫摻雜過程，并通過離子凝膠電介質(zhì)調(diào)節(jié)輸出電流。

圖1  纖維摩擦電化學晶體管示意圖

在耗盡模式下工作的纖維狀OECT具有良好的電學性能：電流開關(guān)比高達4000，柵極漏電流小于4.2 nA，良好的彎曲和循環(huán)穩(wěn)定性（圖2）。纖維狀摩擦OECT也顯示出相當?shù)男阅埽ǜ唠娏鏖_關(guān)比 (≈1286）、低關(guān)態(tài)電流、閾值位移（0.3 mm）和低摩擦電亞閾值擺幅（~1.6?mm/dec），如圖3所示。

通過編織結(jié)構(gòu)的TENG進行柵極驅(qū)動，它還可以很容易地集成到纖維或紡織陣列中，有望實現(xiàn)一種靈活的、功能強大、智能的自供電電子紡織品。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了基于纖維狀摩擦電化晶體管邏輯反相器，可用于控制LED的開關(guān)狀態(tài)（圖4）。

圖4  基于纖維狀摩擦OECT的邏輯反相器?

基于纖維狀摩擦電化晶體管的自供電電子紡織品，可以直接利用TENG織物的摩擦電勢來調(diào)節(jié)導電聚合物中的摻雜/脫摻雜，首次實現(xiàn)了在電化學晶體管中實現(xiàn)了機械作用和電化學反應的有效結(jié)合。這對于智能自供電設(shè)備和可穿戴式人機界面領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

論文鏈接：

https://spj.sciencemag.org/journals/research/2021/9840918/

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