CN111584612B - 全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列 - Google Patents
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Abstract
一种全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列，全自驱动石墨烯晶体管，包括：基底层；电极层，包含源极、漏极和栅极，位于基底层之上；其中，该源极和漏极之间的源漏电压由聚吡咯发电机提供，该聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的直流电；石墨烯作为沟道层，连接于源极和漏极之间，栅极电压由外界物体与栅极的接触‑分离感应产生的电动势提供；所述聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的源漏电压调控石墨烯沟道层中产生的载流子浓度，同时沟道层在栅极电压的调控作用下进行全自驱动电学输出。实现了全自驱动的效果，能耗几乎为零，同时具有较高的集成度和高灵敏度，可同时实现手势与压力的双重检测。
Description
技术领域
本公开属于传感器和摩擦电子学技术领域，涉及一种全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列。
背景技术
柔性可穿戴传感器是一种采用新型材料、微加工技术、集成电路技术制作的穿戴在人体的电子装置或者电子系统。
为了满足可穿戴、降低能耗的需求，自驱动的可穿戴传感器成为研究热点。随着2012年摩擦发电机(TENG)这种基于摩擦起电和静电感应的耦合作用、可将机械能转化为电能的新的能量转化手段的问世，实现自驱动的途径在原来的压电和热电等方式的基础上增加了一个新的平台。
目前，基于摩擦纳米发电机的自供能传感器已在各种学科和领域得到了广泛研究，被用于测量各种类型的物理参数，例如压力传感器、触觉传感器、声学传感器、振动传感器、气压传感器、紫外传感器以及化学传感器等。然而，临床和医疗监测的发展为自驱动传感器提出了高灵敏性与高分辨率和器件集成等更高的要求，同时目前可穿戴传感器对外部电压的驱动具有高能耗需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列，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，提供了一种全自驱动石墨烯晶体管，包括：基底层；电极层，包含源极、漏极和栅极，位于基底层之上；其中，该源极和漏极之间的源漏电压由聚吡咯发电机提供，该聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的直流电；石墨烯作为沟道层，连接于源极和漏极之间，栅极电压由外界物体与栅极的接触-分离感应产生的电动势提供；所述聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的源漏电压调控石墨烯沟道层中产生的载流子浓度，同时沟道层在栅极电压的调控作用下进行全自驱动电学输出。
在本公开的一些实施例中，聚吡咯发电机为包含第一金属/聚吡咯/第二金属的层叠结构，第一金属与聚吡咯为欧姆接触，第二金属与聚吡咯存在肖特基势垒；第一金属与源极连接，第二金属与漏极连接。
在本公开的一些实施例中，源极、漏极由金属材料充当。
在本公开的一些实施例中，源极、漏极由石墨烯材料充当；
可选的，充当源极、漏极的石墨烯材料与作为沟道层的石墨烯一体成型。
在本公开的一些实施例中，栅极由离子凝胶充当，该离子凝胶位于基底层之上，部分离子凝胶覆盖于石墨烯沟道层之上，形成离子凝胶/石墨烯界面，在外界物体与栅极层的接触-分离过程中，分别在离子凝胶的表面和离子凝胶/石墨烯界面形成负、正电荷相对排列的双电层。
在本公开的一些实施例中，栅极由石墨烯材料充当，形成栅极的石墨烯材料位于基底层之上，部分石墨烯材料覆盖于石墨烯沟道层之上。
在本公开的一些实施例中，聚吡咯发电机中，第一金属、第二金属及聚吡咯各层的厚度介于300μm～1000μm之间，该聚吡咯发电机的长×宽的尺寸介于1×1cm2～2×2cm2之间；和/或，基底层的长度和宽度介于1cm～3cm之间；和/或，源极及漏极的长度和宽度介于1mm～2mm之间，厚度介于40nm～100nm；和/或，源极和漏极的间距介于300μm～1000μm之间；和/或，栅极的高度介于400μm～1000μm之间，栅极的长度和宽度介于2mm～5mm之间；栅极覆盖于沟道层之上的部分的长度介于100μm～150μm之间，栅极覆盖于沟道层之上的部分的宽度介于280μm～980μm之间。
根据本公开的另一个方面，提供了一种逻辑器件，包括若干个本公开提及的任一种全自驱动石墨烯晶体管；
可选的，该逻辑器件包括如下器件的一种或其组合：反相器、与门、非门、或门、与非门、或非门、异或门及同或门。
根据本公开的又一个方面，提供了一种传感器阵列，包括若干个本公开提及的任一种全自驱动石墨烯晶体管。
在本公开的一些实施例中，该传感器阵列作为电子皮肤使用，包含多个传感器单元，每个传感器单元包含至少一个全自驱动石墨烯晶体管，对压力和手势的变化同时进行自驱动检测。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列，具有以下有益效果：
1、首次提出利用聚吡咯发电机为石墨烯晶体管提供源漏电压，基于实验研究了聚吡咯发电机对石墨烯晶体管调控的可行性和可靠性，克服了在原来的石墨烯晶体管中加入另一驱动源可能导致的负面影响和干扰作用，证实了将聚吡咯发电机作为石墨烯晶体管的源漏电压的可行性和可靠性，利用加载于聚吡咯发电机上的压力调控石墨烯沟道中产生载流子，以外界物体与离子凝胶进行接触-分离产生的静电势，作为栅电压调控载流子传输以及输出电流，调控作用协调良好，不需要外接电源的供能，实现了全自驱动的效果，能耗几乎为零，同时具有较高的集成度和高灵敏度，可同时实现手势与压力的双重检测，为未来开发安全可靠的自驱动植入式器件提供了良好的基础。
2、基于石墨烯的半-金属(semi-metallic)特性，不仅可将石墨烯作为该全自驱动石墨烯晶体管的沟道材料，还可以作为栅极、源极和漏极，不必单独制作电极层，只需要将石墨烯进行图案化制作，得到位于同一平面的栅极-源漏极-沟道结构，简化了制作工艺，节约材料。
3、将该全自驱动石墨烯晶体管作为基本单元进行拓展，得到反相器、与非门、及或非门等逻辑器件，根据不同刺激因素和逻辑器件输出信号关系可进行逻辑运算。
4、包含多个该全自驱动石墨烯晶体管阵列排布的传感器阵列，作为电子皮肤，可进行多像素点的实时监测，对压力和手势的变化可同时进行检测，实现自驱动、多范围的高灵敏度监测。
附图说明
图1A-图1C分别为根据本公开一实施例所示的全自驱动石墨烯晶体管的主视图、俯视图和右视图。
图2为根据本公开一实施例所示的全自驱动石墨烯晶体管的原理图。
图3为根据本公开一实施例所示的聚吡咯发电机的输出性能曲线，其中，(a)为输出电压随时间变化关系曲线；(b)为输出电压随压力变化关系曲线；(c)为源漏电流随压力变化关系曲线；(d)为输出电压随器件尺寸变化关系曲线；(e)为源漏电流随器件尺寸变化关系曲线。
图4为根据本公开一实施例所示的探究聚吡咯发电机对晶体管调控的可行性实验结果，其中，栅极电压由外电源提供，(a)为外电源提供源漏电压的输出特性I-V曲线；(b)为对应聚吡咯发电机在不同压力下的源漏电流输出曲线；(c)为外部直流电提供固定源漏电压下，变化探针台施加的栅极电压对应的输出曲线；(d)为聚吡咯受到固定压力提供固定源漏电压下，变化探针台施加的栅极电压对应的输出曲线。
图5为根据本公开一实施例所示的探究该全自驱动石墨烯晶体管中两种驱动的协调性以及可靠性的实验结果，其中，(a)为外电源提供源漏电压，同时外界物体与离子凝胶栅极接触-分离不同距离作为不同栅极电压的输出曲线；(b)为利用聚吡咯发电机提供源漏电压，同时外界物体与离子凝胶栅极接触-分离不同距离作为不同栅极电压的输出曲线；(c)为外电源提供固定的源漏电压，源漏电流随着外界物体与离子凝胶栅极接触-分离的最大距离变化的转移曲线；(d)为聚吡咯发电机在固定外界压力下提供固定的源漏电压，源漏电流随着外界物体与离子凝胶栅极接触-分离的最大距离变化的转移曲线。
图6为根据本公开一实施例所示的利用全自驱动石墨烯晶体管进行压力和手势检测的结果曲线。
【符号说明】
1-石墨烯晶体管；
11-基底层； 121-源极；
122-漏极； 13-沟道层；
14-栅极；
2-聚吡咯发电机；
21-聚吡咯层； 22-第一金属层；
23-第二金属层。
具体实施方式
现有的自驱动晶体管中，源漏之间电压(VDS)还需要外电源供给，能耗较大。有研究通过理论模拟，构筑了栅极电压与VDS均由摩擦发电机提供，从而实现全自驱动的模型，但这仅仅限于理论模型，还很难应用到实际器件中，申请人进行分析，认为其中一个重要的原因是由于摩擦发电机输出是脉冲型的，不满足源漏电压需要持续、恒定直流输出的要求，因此，申请人致力于寻找可提供可靠VDS的发电机。
有研究表明，基于导电聚合物机械力诱导空间电荷变化原理与导电聚合物与金属电极的肖特基接触机制相结合而制备的铝/聚吡咯/金(Al/PPy/Au)发电机，下面称之为聚吡咯发电机，不同于传统摩擦发电机、压电发电机脉冲型输出，其输出可持续几分钟，且恒定，但是其在应用于现有的自驱动晶体管的过程中，会面临两个技术问题：一、增加一个驱动在现有结构中，是否会对已有的栅极驱动造成影响或干扰，导致无法成功实现对晶体管的驱动；二、如何使两种驱动之间实现较好的协调，实现良好的电学输出，是结合的一个技术问题。
申请人已经提出过一种石墨烯晶体管，其具有结构紧凑、操作电压低、调控精度高且灵敏性高的特点，在已有研究的基础上，通过实验研究和分析，得到一种全自驱动石墨烯晶体管的结构。
本公开中，申请人首次提出利用聚吡咯发电机为石墨烯晶体管提供源漏电压，基于实验研究了聚吡咯发电机对石墨烯晶体管调控的可行性和可靠性，克服了在原来的石墨烯晶体管中加入另一驱动源可能导致的负面影响和干扰作用，证实了将聚吡咯发电机作为石墨烯晶体管的源漏电压的可行性和可靠性，利用加载于聚吡咯发电机上的压力调控石墨烯沟道中产生载流子，以外界物体与离子凝胶进行接触-分离产生的静电势，作为栅电压调控载流子传输以及输出电流，调控作用协调良好，不需要外接电源的供能，实现了全自驱动的效果，能耗几乎为零，同时具有较高的集成度和高灵敏度，可同时实现手势与压力的双重检测，为未来开发安全可靠的自驱动植入式器件提供了良好的基础。
本公开的全自驱动石墨烯晶体管，包括：基底层；电极层，包含源极、漏极和栅极，位于基底层之上；其中，该源极和漏极之间的源漏电压由聚吡咯发电机提供，该聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的直流电；石墨烯作为沟道层，连接于源极和漏极之间，栅极电压由外界物体与栅极层的接触-分离感应产生的电动势提供；所述聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的源漏电压调控石墨烯沟道层中产生的载流子浓度，同时沟道层在栅极电压的调控作用下进行全自驱动电学输出。
在本公开的一些实施例中，聚吡咯发电机为包含第一金属/聚吡咯/第二金属的层叠结构，第一金属与聚吡咯为欧姆接触，第二金属与聚吡咯存在肖特基势垒；第一金属与源极连接，第二金属与漏极连接。
在本公开的一些实施例中，源极、漏极由金属材料充当。
在本公开的一些实施例中，源极、漏极由石墨烯材料充当；可选的，充当源极、漏极的石墨烯材料与作为沟道层的石墨烯一体成型。
在本公开的一些实施例中，栅极由离子凝胶充当，该离子凝胶位于基底层之上，部分离子凝胶覆盖于石墨烯沟道层之上，形成离子凝胶/石墨烯界面，在外界物体与栅极的接触-分离过程中，分别在离子凝胶的表面和离子凝胶/石墨烯界面形成负、正电荷相对排列的双电层。
在本公开的一些实施例中，栅极由石墨烯材料充当，形成栅极的石墨烯材料位于基底层之上，部分石墨烯材料覆盖于石墨烯沟道层之上。
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。本公开中，术语“介于之间”包含端点值，“为a～b数值参数”表示为a～b中的任意值，包括端点值。
第一实施例
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种全自驱动石墨烯晶体管。
图1A-图1C分别为根据本公开一实施例所示的全自驱动石墨烯晶体管的主视图、俯视图和右视图。
参照图1A-图1C所示，本公开的全自驱动石墨烯晶体管，包括：基底层11；电极层，包含源极121、漏极122和栅极14，位于基底层11之上；其中，该源极121和漏极122之间的源漏电压由聚吡咯发电机2提供，该聚吡咯发电机2在压力作用下产生大小可控的直流电；石墨烯作为沟道层13，连接于源极121和漏极122之间，栅极电压由外界物体与栅极14的接触-分离感应产生的电动势提供；该聚吡咯发电机2在压力作用下产生大小可控的源漏电压调控石墨烯沟道层13中产生的载流子浓度，同时沟道层13在栅极电压的调控作用下进行全自驱动电学输出。
本实施例中，聚吡咯发电机为包含第一金属/聚吡咯/第二金属的层叠结构，第一金属与聚吡咯为欧姆接触，第二金属与聚吡咯存在肖特基势垒；第一金属与源极连接，第二金属与漏极连接。在一实例中，参见图1A所示，聚吡咯层21下方为第一金属层22，该第一金属层22的材料为金，聚吡咯层21的上方为第二金属层23，该第二金属层23的材料为铝。
本实施例中，栅极14位于基底层11之上，部分栅极覆盖于沟道层13之上，栅极与沟道层直接接触，不与沟道层下方的源极、漏极接触。
本实施例中，源极121、漏极122由金属材料充当。栅极14由离子凝胶充当，该离子凝胶14位于基底层之上，部分离子凝胶覆盖于石墨烯沟道层13之上，形成离子凝胶/石墨烯界面，在外界物体与栅极的接触-分离过程中，分别在离子凝胶的表面和离子凝胶/石墨烯界面形成负、正电荷相对排列的双电层。
基于石墨烯的半-金属(semi-metallic)特性，不仅可将石墨烯作为该全自驱动石墨烯晶体管的沟道材料，还可以作为栅极、源极和漏极，不必单独制作电极层，只需要将石墨烯进行图案化制作，得到位于同一平面的栅极-源漏极-沟道结构，简化了制作工艺，节约材料。
例如，在本公开的一些实施例中，由于源极、漏极由石墨烯材料充当；可选的，充当源极、漏极的石墨烯材料与作为沟道层的石墨烯一体成型，在制作工艺上不需要单独进行源漏极金属的图案化制备工艺，只需要同时利用石墨烯材料制作源漏极和沟道层，通过图案化加工石墨烯材料，制备出相应的源漏和沟道结构即可。
例如，在本公开的一些实施例中，栅极由石墨烯材料充当，形成栅极的石墨烯材料位于基底层之上，部分石墨烯材料覆盖于石墨烯沟道层之上。
图2为根据本公开一实施例所示的全自驱动石墨烯晶体管的原理图。
下面结合图2来介绍本实施例中全自驱动石墨烯晶体管的工作原理。
参照图2所示，当聚吡咯不受外力时候，由于聚吡咯、金、铝功函数分别为-5.6eV、-4.3eV与-5.1eV，聚吡咯与金是欧姆接触，聚吡咯与铝存在肖特基势垒，电荷不能穿过势垒，不能对外电路输出电流。此时，晶体管没有Vds供应，漏电流为0。当给聚吡咯施加压力时，聚吡咯中电荷重新分布，电子在聚吡咯-铝界面处聚集使得能带弯曲，降低了肖特基势垒，使得电子穿过势垒形成环路。于是，石墨烯晶体管的源极121和漏极122两端产生电势差。沟道13中产生载流子。此时外加的摩擦层(例如电负性强的PTFE)与离子凝胶14(栅极)接触时，表面分别感应出相反的电荷(PTFE带负电，离子凝胶带正电)。由于正负电荷平衡而不会引起电路电子流动而对晶体管没有影响。当PTFE离开离子凝胶14一段距离时，为平衡离子凝胶表面的正电荷，离子凝胶中的离子重新排布，分别在离子凝胶表面和离子凝胶/石墨烯界面形成负、正电荷相对排列的双电层。此时离子凝胶/石墨烯界面的正电荷相当于对石墨烯沟道层施加正的柵压，石墨烯沟道层中感应更多电子，从而调控石墨烯沟道载流子传输和输出电流。
在本实施例中，还示例性介绍该全自驱动石墨烯晶体管的制备方法。
本实施例中，全自驱动石墨烯晶体管的制备过程分为三个部分：一、制备石墨烯晶体管；二、制备聚吡咯发电机；三、集成聚吡咯发电机与石墨烯晶体管。
一、制备石墨烯晶体管的过程，包括：
(1)化学气相沉积制备石墨烯材料
铜箔(厚度很薄的铜纸，10cm×10cm，25μm，型号为Sigma)先用piranha溶液(H2SO4与H2O2混合物)清洗15min。铜箔浸泡在去离子水中，用氮气干燥。然后将其加入排尽空气的石英管，当石英管内压达到5×10-3Torr时，通入H2，同时将石英管加热到1000℃，持续30min后，在连续通入H2(流速10sccm)下，通入流速为5sccm的CH4气体，使得石墨烯连续生长。30min后，停止通入CH4，石英管在H2流中冷却到室温。于是得到了铜箔上生长的石墨烯。
(2)制备源极和漏极(采用金电极)
基底(硅片、PET)分别在丙酮、异丙醇与去离子水中超声清洗5min。用热蒸镀的方法在基底层上镀50nm厚的金，用紫外曝光机光刻金电极，在基底层11上得到间隔分布的源极121和漏极122。
(3)制备石墨烯半导体层
在铜箔上生长的石墨烯上旋涂甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的氯苯溶液，在铜箔背面进行等离子体刻蚀去掉铜箔背面生长的石墨烯后，浸泡在过硫酸铵中3h溶解掉铜箔。将完全溶解掉铜箔的PMMA/石墨烯转移到带有源极和漏极的基底上，用丙酮洗掉石墨烯上的PMMA。用紫外曝光机光刻石墨烯，光刻成晶体管半导体沟道的形状，光刻后的石墨烯沟道层为长度为300μm～1000μm、宽度为100μm～150μm的长方形。
(4)制备离子凝胶栅极
离子凝胶液体由离子液体1-乙基-3-甲基咪唑-双(三氟甲基磺酸基)咪唑([EMIM][TFSI])、单体聚乙二醇双丙烯酸酯单体(PEGDA)、和2-羟基-2甲基丙苯酮，光引发剂2甲基丙苯酮(HOMPP)以质量比(90：8：2)混合而成。
用透明胶带在基底层上围成槽状，中间加入离子凝胶，在紫外光下，用掩模版曝光10秒。紫外光下，引发剂HOMPP产生自由基与丙烯酸酯反应，引发单体PEG-DA聚合。未透光的部分没有聚合反应，可用去离子水洗掉。
二、制备金/聚吡咯/铝直流发电机的过程，包括：
聚吡咯粉末的合成采用三氯化铁为催化剂，3克吡咯单体(在氮气气氛中减压蒸馏)加入到三氯化铁的水溶液中(0.2M，200毫升)后，机械搅拌2小时，得到的聚吡咯用水、乙醇反复洗涤，直到洗涤液澄清。聚吡咯粗产物的产率接近于96％。聚吡咯粗产物在氮气气氛中在温度范围为600℃-850℃放置1小时，用固体氢氧化钾活化。活化后的聚吡咯用10％的盐酸中和。用去离子水调节为中性。聚吡咯烘干后用研钵研磨成更细的粉末。用压片机压成片后贴合到在镀金电极的PET上，在贴有聚吡咯的PET上，磁控溅射镀铝电极。其中铝电极面积小于聚吡咯，以免与PET上的金电极造成短路。图1中聚吡咯发电机2的三个层仅作为层状结构的示意，根据实际实验需要可进行相对面积大小的设置。
三、集成聚吡咯发电机与石墨烯晶体管的过程，包括：源极121和漏极122之间的源漏电压由聚吡咯发电机2提供，将聚吡咯发电机的第一金属层和第二金属层分别与源极和漏极进行对应连接，得到全自驱动石墨烯晶体管。另外，聚吡咯发电机可以集成于石墨烯晶体管中的基底层上。
申请人基于上述实验获得的全自驱动石墨烯晶体管，通过实验研究了聚吡咯发电机对石墨烯晶体管调控的可行性和可靠性，克服了在原来的石墨烯晶体管中加入另一驱动源可能导致的负面影响和干扰作用，证实了将聚吡咯发电机作为石墨烯晶体管的源漏电压的可行性和可靠性。
下面介绍实验研究过程和结果。
图3为根据本公开一实施例所示的聚吡咯发电机的输出性能曲线，其中，(a)为输出电压随时间变化关系曲线；(b)为输出电压随压力变化关系曲线；(c)为源漏电流随压力变化关系曲线；(d)为输出电压随器件尺寸变化关系曲线；(e)为源漏电流随器件尺寸变化关系曲线。
参照图3中(a)～(e)可知：输出电压与器件尺寸无关，与压力呈线性关系。因此，可通过施加不同压力来监测晶体管的响应。由于在一定范围内聚吡咯发电机输出电压和源漏电流均与所受的压力成正比，所以，当聚吡咯发电机与石墨烯晶体管的源漏极相连时，为晶体管提供的源漏电压和源漏电流均采用聚吡咯发电机所承受的压力来衡量。
图4为根据本公开一实施例所示的探究聚吡咯发电机对晶体管调控的可行性实验结果，其中，栅极电压由外电源提供，(a)为外电源提供源漏电压的输出特性I-V曲线；(b)为对应聚吡咯发电机在不同压力下的源漏电流输出曲线；(c)为外部直流电提供固定源漏电压下，变化探针台施加的栅极电压对应的输出曲线；(d)为聚吡咯受到固定压力提供固定源漏电压下，变化探针台施加的栅极电压对应的输出曲线。
对比图4中(a)和(b)可知，聚吡咯发电机提供源漏电压的输出曲线与外电源提供源漏电压的输出曲线线性关系基本一致，这为聚吡咯发电机提供源漏电压的可行性提供了依据。对比图4中(c)和(d)所示，固定外电源或聚吡咯发电机提供的源漏电压后，对应变化栅极电压，两个输出曲线均成双极特征，可见，聚吡咯作为源漏电压提供者仍然可以反映石墨烯特征，聚吡咯发电机作为源漏电压的提供者不会影响栅极电压的调节作用，二者的驱动调控实现了协调。无论输出曲线还是转移曲线均表明，聚吡咯发电机的确可以为石墨烯晶体管提供VDS，从而为实现全自驱动提供基础。
因此在上述实验的基础上得出如下结论：聚吡咯发电机对石墨烯晶体管调控具有可行性。接下来进一步验证调控的结果和可靠性。
图5为根据本公开一实施例所示的探究该全自驱动石墨烯晶体管中两种驱动的协调性以及可靠性的实验结果，其中，(a)为外电源提供源漏电压，同时外界物体与离子凝胶栅极接触-分离不同距离作为不同栅极电压的输出曲线；(b)为利用聚吡咯发电机提供源漏电压，同时外界物体与离子凝胶栅极接触-分离不同距离作为不同栅极电压的输出曲线；(c)为外电源提供固定的源漏电压，源漏电流随着外界物体与离子凝胶栅极接触-分离的最大距离变化的转移曲线；(d)为聚吡咯发电机在固定外界压力下提供固定的源漏电压，源漏电流随着外界物体与离子凝胶栅极接触-分离的最大距离变化的转移曲线。
本实施例中，图5中(a)为离子凝胶与皮肤的摩擦作为栅极电压、外电源提供源漏电压的输出曲线。当源漏电压固定在0.5V时，随着皮肤距离离子凝胶的距离由0增加到1000μm变化，源漏电流由170.7μA增加到144.7μA。图5中(b)为离子凝胶与皮肤的摩擦作为栅极电压、聚吡咯发电机提供源漏电压的输出曲线。当聚吡咯承受压力固定在50kPa时，随着皮肤距离离子凝胶的距离由0增加到1000μm变化，源漏电流由10.63μA增加到12.53μA。对比图5中(a)与(b)可见，源漏电压和源漏电流的输出曲线随着聚吡咯发电机承载压力的变化趋势与随着外电源变化趋势一致，说明利用聚吡咯发电机提供源漏电压的精确性。
图5中(c)为离子凝胶与皮肤的摩擦作为栅极电压、外电源提供源漏电压的转移曲线。当源漏电压固定在0.1V时，源漏电流随着距离变化可以分为两段：随着皮肤距离离子凝胶距离由0增加到1mm的阶段，源漏电流由42.3μA增加到51.15μA，随着皮肤距离离子凝胶距离由1mm增加到3mm的阶段，源漏电流由51.15μA增加到55.20μA。图5中(d)为离子凝胶与皮肤的摩擦作为栅极电压、聚吡咯发电机提供源漏电压的转移曲线。当聚吡咯发电机承受压力固定在10kPa时，源漏电流随着距离变化可以分为两段：随着皮肤距离离子凝胶距离由0增加到1mm的阶段，源漏电流由10.61μA增加到12.53μA，随着皮肤距离离子凝胶距离由1mm增加到3mm，源漏电流由12.53μA增加到13.14μA。对比图5中(c)与(d)可见，源漏电压的转移曲线随着聚吡咯压力的变化趋势与随着外电源变化趋势一致，说明聚吡咯发电机提供源漏电压的精确性。
因此参照图5中(a)～(d)可知，，利用加载于聚吡咯发电机上的压力调控石墨烯沟道中产生载流子，以外界物体与离子凝胶进行接触-分离产生的静电势，作为栅电压调控载流子传输以及输出电流，调控作用协调良好，不需要外接电源的供能，实现了全自驱动的效果，能耗几乎为零，同时具有较高的集成度和高灵敏度。
第二实施例
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种逻辑器件，包括若干个全自驱动石墨烯晶体管。
本实施例中，该逻辑器件包括如下器件的一种或其组合：反相器、与门、非门、或门、与非门、或非门、异或门及同或门。
第三实施例
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种传感器阵列，包括若干个全自驱动石墨烯晶体管。
图6为根据本公开一实施例所示的利用全自驱动石墨烯晶体管进行压力和手势检测的结果曲线。
本实施例中，该传感器阵列作为电子皮肤使用，包含多个传感器单元，每个传感器单元包含至少一个全自驱动石墨烯晶体管，对压力和手势的变化同时进行自驱动检测。一只手给聚吡咯发电机施加压力，另一只手的一只手指佩戴全自驱动晶体管器件，将PTFE盖在石墨烯晶体管的离子凝胶(栅极)上边，中间用绝缘胶带保持0.5mm-0.7mm的空隙，晶体管的源漏电极分别与聚吡咯发电机的金电极与铝电极相连。
本测试分为两部分，压力传感与手指弯曲程度传感。此项测试所用的石墨烯晶体管与上述图3、图4和图5中的晶体管是同一个晶体管。
在压力传感部分，由图6可见，给聚吡咯发电机施加压力的手施加的压力越大，输出越大。分别在5kPa、10kPa以及30kPa所示例的不同压力下，对应于不同的输出曲线。由于聚吡咯发电机承受50kPa压力时候，产生晶体管输出漏电流(摩擦电势为0，栅极电压为0)83μA，则根据图3中得出的聚吡咯发电机的源漏电流与所受的压力成正比的结果，图6中的3.24μA、15.28μA以及33.76μA分别相当于1.95kPa、9.20kPa以及20.3kPa。
每一条输出曲线代表手指弯曲程度传感过程。图中示意了三组手指关节弯曲后又伸开的示意图，从左到右对应的三组变化状态中弯曲后手指伸直的程度逐渐增大。当手指关节弯曲，PTFE膜完全贴合离子凝胶，表面分别感应产生正负电荷，由于完全平衡，没有摩擦电势。当带负电荷的PTFE离开离子凝胶一段距离，为屏蔽离子凝胶表面正电荷，产生双电层。离子凝胶与石墨烯界面处产生正电荷，引起石墨烯晶体管沟道层中更多电子载流子，使得输出电流减小。在前边的工作中，详细研究了摩擦距离与晶体管输出漏电流呈线性关系。因此，手指弯曲后伸直程度越大，PTFE距离离子凝胶越远，产生的摩擦电势越大，引起的输出电流越大。综上所述，本公开提供了一种全自驱动石墨烯晶体管、逻辑器件及传感器阵列，首次提出利用聚吡咯发电机为石墨烯晶体管提供源漏电压，基于实验研究了聚吡咯发电机对石墨烯晶体管调控的可行性和可靠性，克服了在原来的石墨烯晶体管中加入另一驱动源可能导致的负面影响和干扰作用，证实了将聚吡咯发电机作为石墨烯晶体管的源漏电压的可行性和可靠性，利用加载于聚吡咯发电机上的压力调控石墨烯沟道中产生载流子，以外界物体与离子凝胶进行接触-分离产生的静电势，作为栅电压调控载流子传输以及输出电流，调控作用协调良好，不需要外接电源的供能，实现了全自驱动的效果，能耗几乎为零，同时具有较高的集成度和高灵敏度，可同时实现手势与压力的双重检测，为未来开发安全可靠的自驱动植入式器件提供了良好的基础。基于石墨烯的半-金属(semi-metallic)特性，不仅可将石墨烯作为该全自驱动石墨烯晶体管的沟道材料，还可以作为栅极、源极和漏极，不必单独制作电极层，只需要将石墨烯进行图案化制作，得到位于同一平面的栅极-源漏极-沟道结构，简化了制作工艺，节约材料。将该全自驱动石墨烯晶体管作为基本单元进行拓展，得到反相器、与非门、及或非门等逻辑器件，根据不同刺激因素和逻辑器件输出信号关系可进行逻辑运算。包含多个该全自驱动石墨烯晶体管阵列排布的传感器阵列，作为电子皮肤，可进行多像素点的实时监测，对压力和手势的变化可同时进行检测，实现自驱动、多范围的高灵敏度监测。
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。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
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 (12)
1.一种全自驱动石墨烯晶体管，其特征在于，包括：
基底层；
电极层，包含源极、漏极和栅极，位于基底层之上；
其中，该源极和漏极之间的源漏电压由聚吡咯发电机提供，该聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的直流电；石墨烯作为沟道层，连接于源极和漏极之间，栅极电压由外界物体与栅极的接触-分离感应产生的电动势提供；所述聚吡咯发电机在压力作用下产生大小可控的源漏电压调控石墨烯沟道层中产生的载流子浓度，同时沟道层在栅极电压的调控作用下进行全自驱动电学输出。
2.根据权利要求1所述的全自驱动石墨烯晶体管，其特征在于，所述聚吡咯发电机为包含第一金属/聚吡咯/第二金属的层叠结构，第一金属与聚吡咯为欧姆接触，第二金属与聚吡咯存在肖特基势垒；第一金属与源极连接，第二金属与漏极连接。
3.根据权利要求1所述的全自驱动石墨烯晶体管，其特征在于，所述源极、漏极由金属材料充当。
4.根据权利要求1所述的全自驱动石墨烯晶体管，其特征在于，所述源极、漏极由石墨烯材料充当。
5.根据权利要求4所述的全自驱动石墨烯晶体管，其特征在于，充当源极、漏极的石墨烯材料与作为沟道层的石墨烯一体成型。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的全自驱动石墨烯晶体管，其特征在于，栅极由离子凝胶充当，该离子凝胶位于基底层之上，部分离子凝胶覆盖于石墨烯沟道层之上，形成离子凝胶/石墨烯界面，在外界物体与栅极层的接触-分离过程中，分别在离子凝胶的表面和离子凝胶/石墨烯界面形成负、正电荷相对排列的双电层。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的全自驱动石墨烯晶体管，其特征在于，所述栅极由石墨烯材料充当，形成栅极的石墨烯材料位于基底层之上，部分石墨烯材料覆盖于石墨烯沟道层之上。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的全自驱动石墨烯晶体管，其IB191505-OA1
特征在于，
所述聚吡咯发电机中，第一金属、第二金属及聚吡咯各层的厚度介于300μm～1000μm之间，该聚吡咯发电机的长×宽的尺寸介于1×1cm2～2×2cm2之间；和/或，
所述基底层的长度和宽度介于1cm～3cm之间；和/或，
所述源极及漏极的长度和宽度介于1mm～2mm之间，厚度介于40nm～100nm；和/或，
所述源极和漏极的间距介于300μm～1000μm之间；和/或，
所述栅极的高度介于400μm～1000μm之间，栅极的长度和宽度介于2mm～5mm之间；栅极覆盖于沟道层之上的部分的长度介于100μm～150μm之间，栅极覆盖于沟道层之上的部分的宽度介于280μm～980μm之间。
9.一种逻辑器件，其特征在于，包括若干个权利要求1至8中任一项所述的全自驱动石墨烯晶体管。
10.根据权利要求9所述的逻辑器件，其特征在于，该逻辑器件包括如下器件的一种或其组合：反相器、与门、非门、或门、与非门、或非门、异或门及同或门。
11.一种传感器阵列，其特征在于，包括若干个权利要求1至8中任一项所述的全自驱动石墨烯晶体管。
12.根据权利要求11所述的传感器阵列，其特征在于，该传感器阵列作为电子皮肤使用，包含多个传感器单元，每个传感器单元包含至少一个全自驱动石墨烯晶体管，对压力和手势的变化同时进行自驱动检测。
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