首個(gè)“線基”晶體管問(wèn)世，電子器件可完全由細(xì)線制成！
背景
如今，柔性電子的領(lǐng)域正在迅速擴(kuò)張。大部分柔性電子器件都是通過(guò)將金屬與半導(dǎo)體塑造成可彎曲的“波浪”結(jié)構(gòu)，或者采用本質(zhì)上柔軟的材料例如導(dǎo)電聚合物來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性。這些“柔軟”的電子器件能夠應(yīng)用于一些特殊的設(shè)備，這些設(shè)備能與生物組織相容，并與之一起伸展。這些柔性電子器件可以嵌入到皮膚、心臟甚至腦組織等生物組織中。
可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體內(nèi)深處動(dòng)脈血壓的柔性超聲波貼片（圖片來(lái)源：參考資料【1】）
然而研究人員表示，與基于聚合物以及其他柔性材料的電子器件相比，線基電子器件在柔性以及材料多樣性方面更勝一籌，且無(wú)需凈室就可以制造。這種線基電子器件包括超薄、柔軟的診斷設(shè)備，足以與它們正在測(cè)量的生物組織無(wú)縫地集成到一起。
創(chuàng)新
近日，美國(guó)塔夫茨大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種由亞麻線制成的晶體管，并創(chuàng)造出完全由細(xì)線制成的電子器件。這些細(xì)線可以編織成紡織品，穿在皮膚上，或者甚至（從理論上說(shuō)）通過(guò)手術(shù)植入用于診斷監(jiān)測(cè)。這種完全柔性的電子器件將開(kāi)啟一系列應(yīng)用，順應(yīng)各種形狀的物體，在自由移動(dòng)時(shí)不會(huì)影響功能。
在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)應(yīng)用材料和界面（ACS Applied Materials and Interfaces）》期刊上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，作者們描述了首個(gè)線基晶體管（TBT）的設(shè)計(jì)制造方法。這種晶體管可塑造成完全線基的簡(jiǎn)單邏輯電路和集成電路。這些電路取代了目前許多柔性設(shè)備最后剩余的剛性元件，當(dāng)與線基傳感器結(jié)合到一起時(shí)，可以創(chuàng)造出完全柔性的多路復(fù)用設(shè)備。
線基晶體管：碳納米管涂覆的亞麻線在源極（S）和漏極（D）金屬線之間攜帶電流，以響應(yīng)柵極（G）檢測(cè)到的電壓。（圖片來(lái)源：塔夫茨大學(xué)）
技術(shù)
之前，塔夫茨大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)了一系列線基的溫度、葡萄糖、應(yīng)力和光學(xué)傳感器，以及可從周圍組織中抽取樣本或者向周圍組織分發(fā)藥物的“微流控”線。這項(xiàng)研究中開(kāi)發(fā)的線基晶體管，使研究人員可創(chuàng)造出控制這些元件行為與響應(yīng)的邏輯電路。論文作者們創(chuàng)造出一個(gè)稱為“多路調(diào)制器（MUX）”的簡(jiǎn)單小規(guī)模集成電路，并將它連接到可檢測(cè)鈉和銨離子（對(duì)于心血管健康和肝腎功能來(lái)說(shuō)重要的生物標(biāo)記物）的線基傳感器陣列上。
（圖片來(lái)源：參考資料【2】）
塔夫茨大學(xué)工學(xué)院研究生、這項(xiàng)研究的第一作者 Rachel Owyeung 表示：“在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中，我們能夠展示我們的設(shè)備是如何監(jiān)測(cè)多個(gè)位置的鈉和銨濃度。從理論上說(shuō)，我們可以擴(kuò)大線基晶體管制成的集成電路的規(guī)模，連接大型傳感器陣列，采用一個(gè)設(shè)備在多個(gè)不同的位置追蹤多個(gè)生物標(biāo)志物。”
制作線基晶體管（見(jiàn)圖1）需要采用碳納米管涂覆亞麻線，碳納米管創(chuàng)造出一個(gè)半導(dǎo)體表面，讓電子可以通過(guò)。連接亞麻線的是兩根細(xì)金線：一根作為電子的“源極”；另一根作為電子從中流出的“漏極”（在某些結(jié)構(gòu)中，電子可以流向其他方向）；第三根稱為“柵極”的金屬線連接著亞麻線周圍的材料。柵極金屬線上電壓的微小變化，會(huì)造成大電流流過(guò)“源極”與“漏極”之間的亞麻線。以上就是這種晶體管的基本原理。
圖1：線基晶體管的制造過(guò)程。a）亞麻線，b）附加上源極（S）與柵極（D）的細(xì)金線，c）用滴落涂布法在亞麻線表面涂上碳納米管，d）施加注入電解質(zhì)的凝膠（離子凝膠）柵極材料，e）附加?xùn)艠O金屬線（G），f）線基晶體管的剖面圖。電解質(zhì)EMI: 1-ethyl-3methylimidazolium TFSI: bis(trifluoromethylsulfonyl)imide
（圖片來(lái)源：塔夫茨大學(xué)）
該研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新就是，采用注入電解質(zhì)的凝膠作為圍繞亞麻線的材料，并連接著柵極金屬線。在這個(gè)案例中，凝膠是由二氧化硅納米顆粒組成，這些納米顆粒能夠自組裝到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。電解質(zhì)凝膠（或者離子凝膠）可以通過(guò)浸涂或者快速擦洗，輕易地沉積到亞麻線上。相比于在經(jīng)典晶體管中作為柵極材料使用的固態(tài)氧化物或者聚合物，離子凝膠在拉伸或者彎曲的情況下更具彈性。
價(jià)值
塔夫茨大學(xué)工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授、論文通信作者 Sameer Sonkusale 表示：“線基晶體管的開(kāi)發(fā)，是制造完全柔性電子器件的重要一步。因此，我們現(xiàn)在可以將我們的注意力轉(zhuǎn)向?yàn)閷?lái)可能的應(yīng)用，來(lái)改善這些設(shè)備的設(shè)計(jì)與性能。在許多的醫(yī)療應(yīng)用中，實(shí)時(shí)測(cè)量生物標(biāo)記物對(duì)于治療疾病和監(jiān)測(cè)患者的健康狀況來(lái)說(shuō)非常重要。完全集成一種患者不易察覺(jué)的柔軟可塑的診斷監(jiān)測(cè)設(shè)備，將成為一種相當(dāng)強(qiáng)大的能力。”
關(guān)鍵字
參考資料
【1】https://www.nature.com/articles/s41551-018-0287-x
【2】Rachel E. Owyeung, Trupti Terse-Thakoor, Hojatollah Rezaei Nejad, Matthew J. Panzer, Sameer R. Sonkusale. Highly Flexible Transistor Threads for All-Thread Based Integrated Circuits and Multiplexed Diagnostics. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019; DOI: 10.1021/acsami.9b09522
【3】https://now.tufts.edu/news-releases/engineers-make-transistors-and-electronic-devices-entirely-thread
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