CN110518071A - 利用驻极体调控的场效应晶体管及人造电子皮肤 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种利用驻极体调控的二维半导体材料人造电子皮肤,包括:柔性衬底,所述柔性衬底位于最下层;二维半导体材料层,均匀得置于所述柔性衬底之上;金属电极,所述金属电极和二维半导体材料层组成的两端器件,位于柔性衬底之上,介电层,位于所述二维半导体材料层上层;压电驻极体层置于所述介电层之上,作为栅极材料;以及顶电极。利用单层二维半导体材料场效应晶体管作为应力传感器的原型器件,便于与现有的微加工工艺相匹配;同时有效避免了表面残胶对其性能的影响;并且对场效应晶体管的调控只随应变的改变而变化,实现了利用二维半导体材料场效应晶体管阵列对外界应力分布的实时响应,有效减小了器件工作的能耗。

Description

利用驻极体调控的场效应晶体管及人造电子皮肤
技术领域
本公开涉及柔性电子学领域,尤其涉及一种利用驻极体调控的二维半导体材料场效应晶体管及人造电子皮肤。
背景技术
人造电子皮肤又被称为皮肤状电子,是由一系列高灵敏电子元器件组成的可模拟人类皮肤功能的电子系统。它除了满足像皮肤一样具有良好的柔韧性和弹性外,还应具备感知外界环境(温度、湿度、应力等)变化的能力,可广泛应用于机器人、监测技术等领域。对人造电子皮肤而言,其最核心的是传感器部分,不同类型的传感器可以实时感应外界环境中诸如应力、温度、湿度等条件的变化,从而转化成相应的电信号。
技术上对人造电子皮肤的研究可追溯至1974年Clippinger等人所展示的一个覆盖有传感器的人造假手。自上世纪90年代起,科学家开始利用柔性电子材料制备大面积、低成本、可打印的集成传感器件来实现人造电子皮肤的功能。这其中,Rogers研究组将硅纳米线等材料转移到柔性衬底,通过与外部超薄材料的连接从而实现了对外界应力变化的响应。与此同时,Someya等人利用有机材料集成场效应晶体管实现了对外界压力分布的实时响应。为了提高灵敏度,Bao等人发展了一种具有自愈能力的弹性电介质压力传感器,这种传感器具有超高的灵敏度和超快的响应时间,但不具有可拉伸性能。与之相比,Ali Javey课题组在压力敏感橡胶上加工得到的有机薄膜晶体管和发光晶体管的集成阵列实现了具有弯曲功能的可视化电子皮肤。尽管现阶段人造电子皮肤的研究已经取得一定的成果,但是电子皮肤要想模拟、还原甚至取代机体皮肤,除了能灵敏感知外界应力变化外,对具有集湿度、温度等信号响应于一体的多功能集成化器件阵列的需求越来越受到人们的重视。在材料的选择上,除了考虑其自身的机械性能外,良好的电学性能、高透明度、使用寿命长、造价低且与现阶段大面积微加工手段相兼容等因素也是不得不考虑的重要因素。
自2004年Geim等人第一次在实验室得到单层石墨烯以来,二维材料的出现为人造电子皮肤领域的进一步发展提供了可能,这主要是由二维材料本身的性质决定的。相对于传统的三维材料,二维材料的层状结构决定了其器件厚度可以达到单原子层,为实现更轻、更薄的柔性电子器件提供了可能。目前为止,二维材料涵盖了零带隙的石墨烯、窄带隙的黑磷、半导体的过渡金属硫属化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs)、宽带隙六方氮化硼(绝缘体)等。
从2010年左右开始,以单层二硫化钼(MoS2)为代表的二维半导体TMDs材料开始受到重视,其良好的电学、光学、机械性能以及异乎寻常的比表面积都为其在柔性电子学中的应用铺平了道路。单层二硫化钼只有三层原子的厚度(0.65nm),其强度是钢铁的30倍,在断裂之前需要达到11%的形变,因此表现出了超高的柔韧性。单层二硫化钼具有1.8eV的带隙,理论计算表明在室温下迁移率和电流开关比分别可达到约410cm2/Vs和109,相比于有机晶体管迁移率低的劣势其在柔性电子学领域具有更明显的优势。
现阶段对二硫化钼在柔性电子学中的应用主要还是集中于单个器件的性能研究,Yoon等人利用预先加工好的石墨烯作为电极得到了具有超高柔韧性的二硫化钼场效应晶体管,但其迁移率只有5cm2/Vs。为了进一步提高柔性二硫化钼场效应晶体管的电学性能,Chang等人利用高介电常数的氧化铪做为电介质调控得到了迁移率为30cm2/Vs,电流开关比超过107的柔性晶体管。但是如何得到多功能、高性能的集成二硫化钼晶体管仍是制约其在电子皮肤领域应用的最主要问题。除此之外,由于二硫化钼本身的压阻、压电效应都不明显,若利用简单的两端器件作为应力传感器,其灵敏度低是不可忽略的事实。因此为了实现其对外界应力的实时响应,需要与其它具有灵敏感知外界应变改变的材料连用,而如何选用能与二硫化钼场效应晶体管性能相匹配的材料以实现其传感功能至关重要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种利用驻极体调控的二维半导体材料场效应晶体管及人造电子皮肤,以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面,提供了一种利用驻极体调控的二维半导体材料场效应晶体管,包括:
二维半导体材料层;
金属电极,所述金属电极和二维半导体材料层组成的两端器件,
介电层,位于所述二维半导体材料层上层;
压电驻极体层,置于所述介电层之上,作为栅极材料;以及
顶电极。
在本公开一些实施例中,所述二维半导体材料层包括二硫化钼、石墨烯、WS2、WSe2、黑磷等材料。
在本公开一些实施例中,所述压电驻极体层为具有驻极体特性的压电材料,其经过不同的预先极化电压得到与二维半导体材料场效应晶体管工作相匹配的电压。
在本公开一些实施例中,所述压电驻极体层采用PVDF-TrFE材料。
在本公开一些实施例中,所述金属电极采用2nm的Ti和30nm的Au。
在本公开一些实施例中,所述介电层采用Al2O3
根据本公开的另一个方面,提供了一种人造电子皮肤,其中,包括:
多个如权利要求1所述的二维半导体材料场效应晶体管,以及
柔性衬底,在柔性衬底上设置有所述多个二维半导体材料场效应晶体管,构成具有应力传感功能的二维半导体材料场效应晶体管阵列。
在本公开一些实施例中,利用二维半导体材料应力传感器阵列中各个二维半导体材料场效应晶体管器件在应力分布不同的情况下电流变化不同定量测试外界环境的应力分布。
在本公开一些实施例中,单个二维半导体材料场效应晶体管器件电学性能随应变的变化而改变。
在本公开一些实施例中,所述柔性衬底为柔性PET衬底。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本公开利用驻极体调控的二维半导体材料人造电子皮肤至少具有以下有益效果其中之一:
(1)利用单层二维半导体材料场效应晶体管作为应力传感器的原型器件,充分利用了二维材料轻薄、柔韧性好、弯曲程度高、电学性能优异的特点,也便于与现有的微加工工艺相匹配;
(2)利用具有压电驻极体特性的PVDF-TrFE材料作为栅极,由于压电驻极体材料在不同应变条件下的输出电压不同,对场效应晶体管的调控只随应变的改变而变化,实现了利用二维半导体材料场效应晶体管阵列对外界应力分布的实时响应,器件可以实现对外界应力变化灵敏的响应,并且不需要额外外接栅极电源,有效减小了器件工作的能耗;
(3)通过电路设计在柔性衬底上加工得到具有应力传感功能的二维半导体材料场效应晶体管阵列,根据单个器件电流随外界应力增加而增加的规律,每个器件看作一个像素点,利用高灵敏度二维半导体材料应力传感器阵列各个器件在应力分布不同的情况下电流变化不同可以定量测试外界环境的应力分布,实现其在人造电子皮肤等领域的应用;
(4)相比于利用反应离子刻蚀加工二维半导体材料器件的方法,本公开中利用表面蒸镀的金将二维半导体材料直接从衬底上剥离,从而得到了具有干净表面的二维半导体材料样品,有效避免了表面残胶对其性能的影响。
附图说明
图1为本公开第一实施例利用驻极体调控的二硫化钼人造电子皮肤的结构示意图。
图2为本公开二硫化钼人造电子皮肤单个器件电学性能示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1、柔性衬底;2、二硫化钼层
3、金属电极;4、介电层
5、压电驻极体层; 6、顶电极。
具体实施方式
本公开提供了一种利用驻极体调控的二维半导体材料场效应晶体管及人造电子皮肤,所述二维半导体材料包括二硫化钼、石墨烯、WS2、WSe2、黑磷等,通过压电驻极体材料(聚偏二氟乙烯-三氟乙烯,PVDF-TrFE)在不同应变情况下调控二维半导体材料场效应晶体管来实现对外界应力的实时响应,利用驻极体材料调控二维半导体材料场效应晶体管集成阵列,每个器件作为一个像素点,起到应力传感的功能,从而实现对外界应力变化的实时响应。基于此得到的人造电子皮肤具有灵敏度高,受外界环境影响较小,稳定性好,可重复性高等特点。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述,其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上,本公开的各种实施例可以许多不同形式实现,而不应被解释为限于此数所阐述的实施例;相对地,提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中,提供了一种利用驻极体调控的二硫化钼人造电子皮肤。图1为本公开第一实施例利用驻极体调控的二硫化钼人造电子皮肤的结构示意图,人造皮肤的结构主要包括柔性衬底以及位于柔性衬底之上的由二硫化钼场效应晶体管构成的应力传感器件。如图1所示,本公开利用驻极体调控的二硫化钼人造电子皮肤自下而上依次包括:柔性衬底1、二硫化钼层2、金属电极3、介电层4、压电驻极体层5及顶电极6。其中柔性衬底1位于最下层,所述金属电极3和二硫化钼层2组成的两端器件位于柔性衬底1之上,所述二硫化钼层2上层先沉积金属作为电极3,后沉积氧化物作为介电层4,所述压电驻极体层5作为栅极材料,置于所述介电层4之上,顶电极5置于所述压电驻极体层5之上。
在本实施例中,所述衬底为柔性PET衬底,大面积均匀单层二硫化钼置于其上,金属电极3为2nmTi/30nm Au,介电层4采用Al2O3,压电驻极体层5采用PVDF-TrFE材料,顶电极采用Au材料。
PVDF-TrFE作为一种压电驻极体材料,在经过预先极化后,材料表面的偶极子不会随电压的撤去而完全消失,仍然有一部分偶极子在上下表面按一定顺序排列,从而存在一定的残余电势。而这种残余电势的大小只与初始的极化电场有关,因此通过施加不同应力脉冲时,可以产生相应的残余电势,从而影响器件的性能。除此之外,PVDF-TrFE随外界应力变化其输出电压线性增长,基于其作为栅极材料的二硫化钼场效应晶体管的电学性能在不同的应力作用下受到的调制不同,从而实现了对不同应力的实时响应。
图2是本公开得到的二硫化钼人造电子皮肤单个器件电学性能示意图。如图2所示,所述二硫化钼人造电子皮肤单个器件电流随应变的增加而增大。其中,不同曲线代表不同应变百分比情况下器件的电学性能。由于压电驻极体材料在不同应变条件下的输出电压不同,对场效应晶体管的调控只随应变的改变而变化,实现了利用二硫化钼场效应晶体管阵列对外界应力分布的实时响应,器件可以实现对外界应力变化灵敏的响应,并且不需要额外外接栅极电源,有效减小了器件工作的能耗,并且弥补二硫化钼材料本身压阻效应不明显的问题。
本公开利用PVDF-TrFE材料的压电特性,实现了不同外界应变对器件性能的动态调控,为基于二硫化钼场效应晶体管的传感器阵列在人造电子皮肤领域的应用提供了可能。
再者,相较于其他基于场效应晶体管的传感器件,该种利用压电材料本身在应力作用下可提供电压输出的特性,使得器件工作过程中无需外接栅极电源,实现了应力对器件的直接驱动,有效降低了能耗,也为无源器件的发展提供了新的思路。
在其他实施例中,利用压电驻极体材料作为栅极调控基于二维半导体材料的场效应晶体管中的二维半导体材料还可以采用石墨烯、WS2、WSe2、黑磷等,实现在不同应变条件下器件性能的实时响应。其中,二维材料优选单层材料,PVDF-TrFE厚度可以在几百纳米至微米量级。
至此,本公开第一实施例利用驻极体调控的二硫化钼人造电子皮肤介绍完毕。
在本公开的第二个示例性实施例中,提供了一种利用驻极体调控的二硫化钼人造电子皮肤的制备方法。具体的加工包括如下步骤:
(1)利用化学气相沉积方法在单晶蓝宝石衬底上生长得到的大面积均匀单层二硫化钼样品。
(2)在生长有二硫化钼样品的衬底上悬涂一层光刻胶,将生长得到的单层均匀的二硫化钼样品通过湿法腐蚀的方法(氢氧化钾溶液刻蚀)转移到柔性PET衬底上,将多余的水分去除,使二硫化钼薄膜完全贴附在衬底上。
(3)利用金剥离的方法加工得到具有洁净表面的二硫化钼场效应晶体管,有效排除加工过程中残胶对器件性能的影响。具体步骤包括:首先利用光学曝光的方法在单层二硫化钼薄膜样品上得到需要的器件沟道图案,利用电子束蒸发在样品表面沉积30nm金层,将样品倒扣于热释放胶带上,使两者之间的气泡完全消除后轻轻将胶带揭开,在衬底上只留下二硫化钼沟道部分。
上述直接剥离加工的方法主要是由于金与二硫化钼之间的结合力远强于二硫化钼与衬底之间的作用力,因此利用胶带可以将未被光刻胶保护的二硫化钼部分完整从衬底上剥离下来;对于器件沟道部分的样品,由于光刻胶与样品的结合力较弱,因此表面沉积的金层只能将光刻胶完全带走,从而得到了具有干净表面的二硫化钼沟道。
(4)利用光学曝光得到电极部分的图案,通过热蒸镀的方式沉积2nm钛/30nm金作为电极。
(5)在样品表面通过原子层沉积系统生长20nm厚的氧化铝薄膜作为介电层。
(6)悬涂5%的PVDF-TrFE作为器件的栅极材料,沉积金属电极作为顶电极。
本实施例中所用到的大面积均匀单层的二硫化钼薄膜是利用化学气相沉积方法直接在氧化硅或蓝宝石衬底上生长得到的,利用金剥离的方法可以加工得到具有干净表明的二硫化钼器件,有效避免了表面残胶对器件性能的影响。通过悬涂将驻极体材料PVDF-TrFE加工在二硫化钼器件表面,由于其本身的驻极体特性,在经过不同初始极化后残余电势的不同对相同应变情况下传感器件起到了静态调控的作用。
本实施例制备的人造皮肤基于利用压电驻极体材料作为栅极的二硫化钼场效应晶体管,具有灵敏度高、响应时间短、寿命长等特点。本实施例利用驻极体材料作为栅极材料在不同应变情况下调控单层二硫化钼场效应晶体管,得到具有高灵敏度、快速响应时间、长寿命的应力传感器集成阵列,实现其在触摸屏、人造电子皮肤等领域的应用。
以下通过一具体实施例来进一步说明。
利用化学气相沉积(CVD)方法得到二硫化钼人造电子皮肤及特性测试。
1、通过三温区CVD方法将二硫化钼直接沉积到氧化硅衬底表面,具体生长条件为:三温区温度分别为115℃,560℃,750℃;载气氩气的气体流量为100sccm,氧气的流量为2sccm;生长时间10min。
2、将已生长二硫化钼的氧化硅片表面悬涂5%的950 PMMA,悬涂速度为3000r/min共1min,在180℃热板上烘烤1min,此过程重复两次以确保二硫化钼表面的牺牲层足够支撑转移时的力度。
3、将已悬涂PMMA的表面有二硫化钼的氧化硅衬底置于10%的氢氟酸溶液中浸泡几小时,待其自然漂浮于液面之上时用PET捞起,在去离子水中将其表面褶皱铺平并冲洗干净后用气枪吹去表面水分,置于110℃热板上烘烤半小时,保证薄膜与柔性衬底之间水分去除。
4、转移好的表面有二硫化钼薄膜的柔性衬底置于丙酮中去除其表面的PMMA。
5、在样品上悬涂一层AZ5214胶,速度为4000转/分钟,在85℃热板上烘烤1分钟,利用紫外光刻技术曝光设计好的器件沟道结构,显影后利用电子束蒸发系统蒸30nm Au,将热释放胶带贴于样品表面,待两者直接气泡完全消失后,将胶带揭开,留在衬底上的部分为需要的二硫化钼器件沟道。
6、将做好器件沟道的样品悬涂AZ5214胶后进行二次图形曝光,显影后利用热蒸发系统沉积Ti/Au~2nm/30nm,然后用丙酮除去除多余的AZ5214胶(lift-off),得到电极。
7、利用原子层沉积系统在二硫化钼器件表面生长20nm的氧化铝薄膜。具体的生长条件为生长温度110℃,载气为20sccm的高纯氮气,三甲基铝和水的前驱体的开启时间分别为0.015s和0.15s。每经过一个循环氧化铝的厚度增加约1nm。
8、将配置好的5%的PVDF-TrFE溶液以3000/min的速度悬涂在样品表面,经过110℃烘烤3h后彻底固化,再经过第三次光刻和沉积20nm Au得到顶电极。
9、将已完成的器件与外部测量设备相连,当器件被某物体接触时会产生形变进而引起极化后PVDF-TrFE输出电压的变化,从而使器件的性能发生变化。分别测量单个器件和多个集成器件随下压深度增加时电学性质变化,得出不同形变下器件性能随应变改变的规律。
当然,根据实际需要,本公开显示装置的制备方法还包含其他的工艺和步骤,由于同本公开的创新之处无关,此处不再赘述。
当然,上述硬件结构还应当包含电源模块(图未示)等功能模块,这些是本领域内的一般技术人员可以理解的,本领域内一般技术人员也可以根据功能的需要,添加相应的功能模块,在此不作赘述。
为了达到简要说明的目的,上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此,无需再重复相同叙述。
至此,本公开第二实施例利用驻极体调控的二硫化钼人造电子皮肤的制备方法介绍完毕。
至此,已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是,在附图或说明书正文中,未绘示或描述的实现方式,均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式,并未进行详细说明。此外,上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式,本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换,例如:
二维材料不局限于专利中所提到的二硫化钼,其它的半导体材料也可以实现相应的功能;
介电层Al2O3可以为常用的介电材料,但不局限于此,其它介电材料也可;
压电驻极体材料也不仅仅局限于所提到的PVDF-Tr FE材料,具有驻极体特性的压电材料经过预先极化电压的不同得到与器件工作相匹配的电压后都可以应用于最终能感知外界应力分布的人造电子皮肤;
器件的结构主要是利用驻极体材料作为晶体管的栅极进行调控,即器件可以是垂直的结构,也可以用于平面结构中。
还需要说明的是,实施例中提到的方向用语,例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等,仅是参考附图的方向,并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图,相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时,将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例,而仅示意本公开实施例的内容。另外,在权利要求中,不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
此外,除非特别描述或必须依序发生的步骤,上述步骤的顺序并无限制于以上所列,且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑,彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用,即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例,对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本公开的具体实施例而已,并不用于限制本公开,凡在本公开的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用驻极体调控的二维半导体材料场效应晶体管,包括:
二维半导体材料层;
金属电极,所述金属电极和二维半导体材料层组成的两端器件,
介电层,位于所述二维半导体材料层上层;
压电驻极体层,置于所述介电层之上,作为栅极材料;以及
顶电极。
2.如权利要求1所述的二维半导体材料场效应晶体管,其中,所述二维半导体材料层包括二硫化钼、石墨烯、WS2、WSe2或黑磷等材料。
3.如权利要求1所述的二维半导体材料场效应晶体管,其中,所述压电驻极体层为具有驻极体特性的压电材料,其经过不同的预先极化电压得到与二维半导体材料场效应晶体管工作相匹配的电压,所述压电驻极体层在不同应变条件下的输出电压不同。
4.如权利要求1所述的二维半导体材料场效应晶体管,其中,所述压电驻极体层采用PVDF-TrFE材料。
5.如权利要求1-4任一项所述的二维半导体材料场效应晶体管,其中,所述金属电极采用2nm的Ti和30nm的Au。
6.如权利要求1-4任一项所述的二维半导体材料场效应晶体管,其中,所述介电层采用Al2O3
7.一种二维半导体材料人造电子皮肤,其中,包括:
多个如权利要求1-6任一项中所述的二维半导体材料场效应晶体管,以及
柔性衬底,在柔性衬底上设置有所述多个二维半导体材料场效应晶体管,构成具有应力传感功能的二维半导体材料场效应晶体管阵列。
8.如权利要求7所述的二维半导体材料人造电子皮肤,利用二维半导体材料应力传感器阵列中各个二维半导体材料场效应晶体管器件在应力分布不同的情况下电流变化不同定量测试外界环境的应力分布。
9.如权利要求7或8所述的二维半导体材料人造电子皮肤,其中,单个二维半导体材料场效应晶体管器件电学性能随应变的不同而变化。
10.如权利要求7或8所述的二维半导体材料人造电子皮肤,其中,所述柔性衬底为柔性PET衬底。
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