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近年來，移動互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的快速發(fā)展刺激了智能傳感技術(shù)在人機交互、人工智能和可穿戴設備等領域的研究。同時，由于場效應晶體管具有低成本和大規(guī)模化等特點，因而被廣泛地應用于電子器件、人機交互和健康監(jiān)測等領域。但傳統(tǒng)場效應晶體管需要通過柵電極接入電信號用于傳感和控制，柵電極的制備工藝復雜，容易損壞，在一定程度上限制了其在可穿戴智能器件上的發(fā)展。
2014年，中國科學院外籍院士、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學家王中林和研究員張弛率領的研究組，首次提出了摩擦電子學這一新的研究領域，利用摩擦產(chǎn)生的靜電勢作為門極信號來調(diào)控半導體中電傳輸與轉(zhuǎn)化特性，可以用于信息傳感和主動性控制，實現(xiàn)了各種人機交互式功能器件，如機電耦合邏輯電路、觸控型電致發(fā)光、接觸式機電存儲、增強型光電轉(zhuǎn)換、智能觸摸開關、主動式觸覺成像系統(tǒng)、電子皮膚、柔性透明晶體管等。近年來，摩擦電子學得到了國內(nèi)外學者的廣泛關注和跟蹤研究，成為柔性電子學領域的研究熱點。
近日，該科研團隊與清華大學化學系副教授董桂芳團隊合作，共同研發(fā)出一種無柵電極的柔性有機摩擦電子學晶體管。研究人員利用一個可移動摩擦層，直接與介電層接觸起電，實現(xiàn)了對晶體管源漏電流的調(diào)控，該器件可用于傳感觸覺壓力和磁場強度，能夠?qū)崿F(xiàn)21%Pa-1和16%mT-1的靈敏度，以及優(yōu)于120ms的響應時間，具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。該器件基于介電層與外部直接接觸起電來代替?zhèn)鹘y(tǒng)柵電壓的傳感機制，能夠有效簡化晶體管中柵電極的制備工藝，避免因器件彎曲造成的柵電極損壞，增加其作為傳感器的穩(wěn)定性和耐久性，建立了一種與外界環(huán)境刺激的直接交互機制，在人機界面、電子皮膚、可穿戴電子設備以及智能傳感領域具有廣闊的應用前景。
相關研究成果發(fā)表在ACS Nano上。
(a) 無柵極摩擦電子學晶體管工作原理示意圖。(b) 用于力磁傳感的無柵極柔性摩擦電子學晶體管實物圖。(c) 力磁傳感工作原理示意圖。(d) 不同壓力下源漏電流的變化。(e) 不同磁場強度下源漏電流的變化。(f) 手指按壓傳感器控制LED燈亮度演示壓力傳感。(g) 磁鐵接近傳感器控制LED燈亮度演示磁場強度傳感。
