[发明专利]一种可拉伸晶体管及其制备方法

说明书

本发明提供一种可拉伸晶体管及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将柔性衬底加热后，在其上加工金属电极，然后冷却获得可拉伸的覆有电极的衬底；采用化学气相沉积法制备得到生长在铜箔上的石墨烯，保留原生长在铜箔背面的石墨烯的情况下，刻蚀掉所述铜箔，制得石墨烯卷，将多层所述石墨烯卷转移并叠放至所得衬底上，作为半导体层；构建可拉伸晶体管。本发明采用柔性衬底退火的方法实现在其上制备的金属电极在拉伸下仍旧具有导电性；采用不需要背面刻蚀的石墨烯，做成多层堆叠的石墨烯卷作为半导体层，具有超常的拉伸性能和较高的透明性，有效解决了传统可拉伸晶体管结构设计不能有效利用空间，可拉伸有机半导体制备中不环保不健康的问题。

技术领域

本发明涉及柔性电子器件领域，更具体地，涉及一种可拉伸晶体管及其制备方法。

背景技术

柔性电子技术指在柔性衬底上大面积、大规模集成不同材料体系、不同功能元器件，构成可拉伸/弯曲变形的柔性信息器件与系统，具有低模量、质轻、结构与功能均具备多自由度、灵活度的特点，颠覆性地改变了传统电子系统刚性的物理形态，极大改变人类的生活方式。柔性电子的快速发展带来了材料的革新以及加工的提升，实现了传感器、医疗、健康监测、人工智能的柔性、先进化、集成化和小型化，极大地推动了新技术的应用推广。

在柔性电子中，可拉伸晶体管以其高灵敏度、多参数监控、智能化等优势，始终占有一席之地。现有技术中，可拉伸晶体管一般是利用结构设计实现的，即设计刚性岛屿-柔性连接体的构型，晶体管基本单元在岛上通过可拉伸的连接体相连，但这种结构不利于实现有效空间利用率。或者采用本身可拉伸的材料来制备可拉伸晶体管，即在可拉伸的衬底上旋涂可拉伸的有机半导体(一般是聚合物)，但该加工过程中涉及毒性比较大的有机试剂，不环保且不利于操作人员的身体健康。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可拉伸晶体管及其制备方法。

本发明提供一种可拉伸晶体管的制备方法，包括以下步骤：

(1)将柔性衬底加热后，在其上加工金属电极，然后冷却获得可拉伸的覆有电极的衬底；

(2)采用化学气相沉积法制备得到生长在铜箔上的石墨烯，保留原生长在所述铜箔背面的石墨烯，刻蚀掉所述铜箔，制得石墨烯卷，将多层所述石墨烯卷转移并叠放至步骤(1)所得衬底上，作为半导体层；

(3)构建所述可拉伸晶体管。

本发明的可拉伸晶体管包括在可拉伸的衬底+电极上设置可拉伸的半导体层。其中，在柔性衬底上加工金属电极并在拉伸情况下保持电性能仍旧是难点，本发明通过对柔性衬底进行热处理，使其膨胀，在膨胀状态下加工金属电极，冷却后出现起伏褶皱，实现在拉伸状态下保持电性能。对于可拉伸的半导体层，除了有机半导体现有技术还有使用石墨烯的，但是石墨烯由于碳碳单双键交替的二维网格型结构，限制了其在延展方面的自由度，导致其可拉伸度很低，在小的应变下就会出现裂纹，而本发明采用一种特殊的石墨烯材料——石墨烯卷，得到拉伸率高达120％的半导体层。

进一步地，所述步骤(1)中，所述柔性衬底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

进一步地，所述步骤(1)具体包括：将固化后的所述柔性衬底在125～135℃下加热5～8小时，随后在其上蒸镀所述金属电极，自然冷却至室温。

在本发明一个优选实施方式中，可拉伸的衬底+电极的制备包括：PDMS前驱体(预聚物)与固化剂以质量比10:1搅拌均匀，倒在一个平坦的模子里，50～80℃固化1-3小时；完全固化后，在130℃下加热5-8小时，然后蒸镀金属；最后自然冷却到室温。

进一步地，所述步骤(2)具体包括：采用化学气相沉积法制备得到生长在铜箔上的石墨烯，然后将所述石墨烯上表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，再将所得产物投入刻蚀溶液中，待铜箔全部被刻蚀后取出，转移至步骤(1)所得衬底上，随后用丙酮去除PMMA，重复上述步骤多次，得到多层叠放在步骤(1)所得衬底上的石墨烯卷。