インクジェット印刷によるナノファイバー強化エラストマー導体の作製

出典: Textile Friends Network

ウェアラブルフレキシブルエレクトロニクスは、柔軟で伸縮性のある素材に依存しています。近年、その応用の可能性から大きな注目を集めています。しかし、従来の処理技術には多くの欠点があります。最近、スタンフォード大学のバオ・ジェンナン教授のチームは、インクジェット印刷技術を使用して、高い電界効果移動度と低い閾値電圧を備えた柔軟な電界効果トランジスタを作成し、そのイオン型変換サイクルを使用してシナプス間の情報伝達をシミュレートしました。「インクジェット印刷による伸縮性低電圧シナプストランジスタアレイ」と題された関連論文が、Nature Communication に掲載されました。

伸縮性導電性材料は、レイヤーバイレイヤーインクジェット印刷技術を使用して三極管構造に準備され、ゲート電解質としてPVDF-HFPが使用され、ソース電極としてプラズマ活性化後にPEDOT:PSSがインクジェット印刷されました。次に、SC-SWCNT と共役ポリマーを半導体チャネルとして使用し、PEDOT:PSS と PVDF-HF を別々に印刷してサンドイッチ構造を形成しました。

電界効果トランジスタ材料の場合、閾値電圧が低いほど動作電圧は低くなり、電界効果移動度が高いほどスイッチング速度は速くなります。 Ids-Vds伝達特性曲線から、このデバイスは平均27 ± 5 cm2 V-1 s-1という非常に高い電界効果移動度を持ち、スイッチング電流比は104と算出されます。高い電界効果移動度により非常に低い閾値電圧が実現される一方、平均 47±9 μS (Vds=1.1V) の高いトランスコンダクタンス特性 gm により、より低い動作電圧もサポートされます。

高い電界効果移動度は、ゲート電解質としての PVDF-HFP イオノマーの二重層構造に由来します。フレキシブル電極としては、その伸張方向がカーボンナノチューブに対して垂直であるため、ゲート電極間の接続構造が容易に破損し、適切な伸張範囲内で性能を維持することができません。同時に、Ids から Vgs への応答特性と応答周期はシナプス間の情報伝達と一致することができ、シナプス間の情報伝達をシミュレートするために使用できます。

図1. 電子機器の設計。 a. 図に示すように、トランジスタと同じインクジェット印刷技術を使用して積層製造された電子材料はすべて、本質的に伸縮可能な特性を備えています。図bの点線は、示されている断面の位置です。 b デバイスの断面の概略図。図には各層の材料が示されています。 c トランジスタアレイの大面積配置とフレキシブルディスプレイ。

図 2. 伸縮性単層カーボンナノチューブ電界効果トランジスタ (SWCNT-FET) アレイを作製するためのインクジェット印刷の概略図。 1. ポリ(4-スチレンスルホン酸ナトリウム)(PSS)層を犠牲層としてシリコンウェーハ基板上にコーティングし、次にゲート電解質としてPVDF-HFPをインクジェット印刷した。 2. 表面をプラズマ処理します。 3. 下部ソース電極とドレイン電極として、PVDF-HFP 上に PEDOT:PSS を印刷します。 4. ポリマーで包まれた SC-SWCNT の印刷。 5. 選別ポリマーを洗い流します。 6. 上部のソース電極とドレイン電極として PEDOT:PSS を印刷します。 7. パッケージ用にPVDF-HFPを印刷します。 8. 熱可塑性スチレン-エチレン-ブチレン-スチレン (SEBS) エラストマーの薄膜をスピンコートして、システムレベルのパッケージを作成します。 9. 固定点に純粋なトルエンを印刷して、ソース電極の上の SEBS パッケージ層に穴を開けます。 10. 溶媒としてDMFを充填した多層カーボンナノチューブ導電性インク。 11.表面プラズマ処理。 12. PEDOT:PSSを印刷します。 13. SEBSフレキシブル基板を構築します。 14. PSSを解散します。 15. 剥がします。 16.プラズマ処理。 17. 印刷ゲート電極：PEDOT:PSS。

図 3. インクジェット印刷された電界効果トランジスタの電気特性の特性評価 a. 伸縮性単層カーボンナノチューブトランジスタ FET (SWCNT-FET) の伝達特性曲線とゲート電圧による曲線の変化。 b. 35 アレイ FET の飽和領域における最大ソース-ドレイン電流の棒グラフ。 c. 異なるゲート電圧下でのアスペクト比 1000m/50m の FET の出力特性曲線。 d. カーボンナノチューブの伸縮に垂直 (左) および平行 (右) の FET の伝達特性曲線。 E. 32アレイFETの飽和領域における最大ソース・ドレイン電流のヒストグラム（伸張なしでひずみが10%の場合と異なる方向の場合）

図 4 IJ-FET はシナプス間の情報伝達をシミュレートします。a. 一定時間内に小さなゲート電圧パルスを印加した場合のソース-ドレイン電流の変化。b. 32 個のゲート電圧パルスを印加した場合のシナプス後電流の変化。パルスが増加すると、電流の変化も増加します。パルスが消えると、電流は回復します。c. 一定時間内にパルス電圧を印加した場合のゲート電極下の電流の変化。

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