[发明专利]利用驻极体调控的场效应晶体管及人造电子皮肤

说明书

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。

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。