導讀

據美國塔夫茨大學官網近日報道，該校工程師團隊開發出一種由亞麻線制成的晶體管，并創造出完全由細線制成的電子器件。

背景

如今，柔性電子的領域正在迅速擴張。大部分柔性電子器件都是通過將金屬與半導體塑造成可彎曲的“波浪”結構，或者采用本質上柔軟的材料例如導電聚合物來實現柔性。這些“柔軟”的電子器件能夠應用于一些特殊的設備，這些設備能與生物組織相容，并與之一起伸展。這些柔性電子器件可以嵌入到皮膚、心臟甚至腦組織等生物組織中。

可實時監測體內深處動脈血壓的柔性超聲波貼片（圖片來源：參考資料【1】）

然而研究人員表示，與基于聚合物以及其他柔性材料的電子器件相比，線基電子器件在柔性以及材料多樣性方面更勝一籌，且無需凈室就可以制造。這種線基電子器件包括超薄、柔軟的診斷設備，足以與它們正在測量的生物組織無縫地集成到一起。

創新

近日，美國塔夫茨大學的工程師團隊開發出一種由亞麻線制成的晶體管，并創造出完全由細線制成的電子器件。這些細線可以編織成紡織品，穿在皮膚上，或者甚至（從理論上說）通過手術植入用于診斷監測。這種完全柔性的電子器件將開啟一系列應用，順應各種形狀的物體，在自由移動時不會影響功能。

在《美國化學學會應用材料和界面（ACS Applied Materials and Interfaces）》期刊上發表的一項研究中，作者們描述了首個線基晶體管（TBT）的設計制造方法。這種晶體管可塑造成完全線基的簡單邏輯電路和集成電路。這些電路取代了目前許多柔性設備最后剩余的剛性元件，當與線基傳感器結合到一起時，可以創造出完全柔性的多路復用設備。

線基晶體管：碳納米管涂覆的亞麻線在源極（S）和漏極（D）金屬線之間攜帶電流，以響應柵極（G）檢測到的電壓。（圖片來源：塔夫茨大學）

技術

之前，塔夫茨大學的工程師們開發了一系列線基的溫度、葡萄糖、應力和光學傳感器，以及可從周圍組織中抽取樣本或者向周圍組織分發藥物的“微流控”線。這項研究中開發的線基晶體管，使研究人員可創造出控制這些元件行為與響應的邏輯電路。論文作者們創造出一個稱為“多路調制器（MUX）”的簡單小規模集成電路，并將它連接到可檢測鈉和銨離子（對于心血管健康和肝腎功能來說重要的生物標記物）的線基傳感器陣列上。

（圖片來源：參考資料【2】）

塔夫茨大學工學院研究生、這項研究的第一作者 Rachel Owyeung 表示：“在實驗室的實驗中，我們能夠展示我們的設備是如何監測多個位置的鈉和銨濃度。從理論上說，我們可以擴大線基晶體管制成的集成電路的規模，連接大型傳感器陣列，采用一個設備在多個不同的位置追蹤多個生物標志物。”

制作線基晶體管（見圖1）需要采用碳納米管涂覆亞麻線，碳納米管創造出一個半導體表面，讓電子可以通過。連接亞麻線的是兩根細金線：一根作為電子的“源極”；另一根作為電子從中流出的“漏極”（在某些結構中，電子可以流向其他方向）；第三根稱為“柵極”的金屬線連接著亞麻線周圍的材料。柵極金屬線上電壓的微小變化，會造成大電流流過“源極”與“漏極”之間的亞麻線。以上就是這種晶體管的基本原理。

圖1：線基晶體管的制造過程。a）亞麻線，b）附加上源極（S）與柵極（D）的細金線，c）用滴落涂布法在亞麻線表面涂上碳納米管，d）施加注入電解質的凝膠（離子凝膠）柵極材料，e）附加柵極金屬線（G），f）線基晶體管的剖面圖。電解質EMI: 1-ethyl-3methylimidazolium TFSI: bis(trifluoromethylsulfonyl)imide
（圖片來源：塔夫茨大學）

該研究中的一項關鍵創新就是，采用注入電解質的凝膠作為圍繞亞麻線的材料，并連接著柵極金屬線。在這個案例中，凝膠是由二氧化硅納米顆粒組成，這些納米顆粒能夠自組裝到網絡結構中。電解質凝膠（或者離子凝膠）可以通過浸涂或者快速擦洗，輕易地沉積到亞麻線上。相比于在經典晶體管中作為柵極材料使用的固態氧化物或者聚合物，離子凝膠在拉伸或者彎曲的情況下更具彈性。

價值

塔夫茨大學工學院電氣與計算機工程系教授、論文通信作者 Sameer Sonkusale 表示：“線基晶體管的開發，是制造完全柔性電子器件的重要一步。因此，我們現在可以將我們的注意力轉向為將來可能的應用，來改善這些設備的設計與性能。在許多的醫療應用中，實時測量生物標記物對于治療疾病和監測患者的健康狀況來說非常重要。完全集成一種患者不易察覺的柔軟可塑的診斷監測設備，將成為一種相當強大的能力。”