一种快响应纤维垂直有机电化学晶体管及其制备方法

本发明属于有机电化学晶体管，具体涉及一种快响应纤维垂直有机电化学晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、柔性纤维传感器以其紧凑的尺寸和360度的灵活性而闻名，可实现在生物体内的微创植入并顺应生物组织。这些优势有助于它们与组织建立小而稳定的界面，因此柔性纤维传感器在可植入器件领域引起了广泛关注。其中，纤维有机电化学晶体管由于放大倍率高、工作电压低和基于离子的工作特性，特别适合植入生物体的检测应用，并已被开发为针对多种化学物质检测的生物传感器。然而，纤维有机电化学晶体管缓慢的响应速度显著限制了它们对快速变化信号的检测能力，例如电生理信号，包括脑电图、心电图、肌电图等。

2、提升响应速度通常要求减小沟道尺寸，而在纤维曲面上精细制造小尺寸沟道较为困难。最初，纤维有机电化学晶体管的沟道通过凝胶电解质浸润半导体纤维的区域定义，其大且难以控制，导致晶体管响应缓慢。之后，利用手动掩膜技术，在纤维有机电化学晶体管上制造了定义明确的沟道，但是沟道长度仍然在毫米级别，使得晶体管响应时间超过100ms，尚不满足对快速变化信号的检测需求。因此，开发一种具有新型结构的纤维有机电化学晶体管以进一步减小沟道尺寸并加速响应成为迫切需求。

3、在垂直有机电化学晶体管中，源极和漏极堆叠形成阶梯，沟道垂直连接源极和漏极。此结构中，沟道长度对应于电极之间绝缘层的厚度，因此更容易缩小并得到小尺寸的沟道。目前这种晶体管配置主要应用于平面晶体管器件，缺乏纤维器件的开发。因此，有必要设计一种纤维形态的垂直有机电化学晶体管，以及相匹配的制备方法，在纤维有机电化学晶体管中引入紧凑的垂直沟道结构，从而提升其响应速度，以满足对快速变化生理信号的检测需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种响应时间短、跨导值高、稳定性强、生物相容性好的纤维垂直有机电化学晶体管及其制备方法，以实现对快速变化生理信号的长期检测，例如心电图信号等。

2、本发明提供的快响应纤维垂直有机电化学晶体管的制备方法，首先将薄膜源电极缠绕在纤维漏电极的曲面上，形成同轴阶梯式配置的源漏电极结构；然后在阶梯处负载有机半导体层以形成小尺寸的垂直式沟道，制备得到快响应纤维垂直有机电化学晶体管；具体步骤如下：

3、(1)制备初始源漏纤维电极；以直径为10-500μm柔性高分子纤维为基底，沉积厚度为1-200nm导电金属层，作为漏极；以厚度为1-100μm柔性高分子薄膜胶带为基底，沉积厚度为1-200nm导电金属层，作为源极；随后将源极薄膜胶带缠绕在漏极纤维表面，并使用高分子弹性体将薄膜胶带与纤维压紧，得到初始源漏纤维电极；其中源极和漏极同轴排列，两者之间由高分子薄膜胶带分隔以防止短路；在尖端处，源极和漏极分布呈现阶梯状；

4、优选地，所述柔性高分子纤维的直径为10-100μm；所述柔性高分子薄膜胶带厚度为1-10μm；

5、优选地，所述柔性高分子纤维为尼龙、聚酰亚胺、腈纶、芳纶、涤纶、维纶、氨纶、丙纶中的一种；

6、优选地，所述高分子薄膜胶带的薄膜基底为聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺中的一种，胶黏剂成分为丙烯酸酯类、橡胶基类、硅胶类、环氧树脂类中的一种；

7、优选地，所述源极和漏极的导电金属层为金、银、铜、铝、铂、铬、钛中的一种或几种，制备方法包括热蒸镀法、磁控溅射法、化学反应法中的一种；

8、(2)制备具有有机半导体沟道的源漏纤维电极；将上述初始源漏电极在有机半导体浆料中蘸涂，以负载厚度为1-30μm的有机半导体层，然后进行退火处理，退火温度为80-180℃；之后将除沟道以外的部分进行绝缘，得到具有有机半导体沟道的源漏纤维电极；其中阶梯状源漏电极由有机半导体层连通；有机半导体层构成垂直状沟道；

9、优选地，所述负载的有机半导体层厚度为1-15μm；

10、优选地，所述有机半导体为聚噻吩类、聚吡咯类和聚苯胺类中的一种；

11、(3)制备纤维栅极；使用直径为30-200μm的碳纳米管纤维为栅极，绝缘栅极尖端以外的区域；

12、优选地，所述碳纳米管纤维栅极的直径为50-100μm；

13、优选地，所述绝缘层为聚对二甲苯、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶、乙丙橡胶中的一种，制备方法包括真空气相沉积法、热熔法、滴涂法、蘸涂法中的一种；

14、优选地，碳纳米管纤维栅极可以进一步负载表面修饰层，修饰材料包括聚噻吩类半导体、聚吡咯类半导体、聚苯胺类半导体、铂纳米粒子、金纳米粒子、铜纳米粒子中的一种或几种，制备方法包括电化学沉积法、化学反应法中的一种或两种；

15、(4)将上述制备的源漏纤维电极和纤维栅极通过加捻工艺制备得到一体化的快响应纤维垂直有机电化学晶体管(即具有垂直沟道结构的有机电化学晶体管)，为纤维结构，直径为40-700μm。优选直径为60-200μm。

16、本发明制备的纤维垂直有机电化学晶体管，具有优异性能；能够用于生物软组织内快速变化的心电信号的实时监测，用于心脏疾病的诊断和长期管理；具有快速响应性(响应时间为12ms)；具有高跨导值(零栅压下为16ms)；具有良好的稳定性(循环500圈脉冲开关、循环500圈弯曲半径为2.5mm的弯曲变形，以及37℃的磷酸盐缓冲液中保存14天，性能变化不超过10％)；经免疫组化分析，该有机电化学晶体管具有优异的生物相容性，为生命科学基础研究、临床诊断提供了强有力的新工具。

技术特征：

1.一种快响应纤维垂直有机电化学晶体管的制备方法，其特征在于，将薄膜源电极缠绕在纤维漏电极的曲面上，形成同轴阶梯式配置的源漏电极结构；在阶梯处负载有机半导体层以形成小尺寸的垂直式沟道，制备得到快响应纤维垂直有机电化学晶体管；具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述柔性高分子纤维为尼龙、聚酰亚胺、腈纶、芳纶、涤纶、维纶、氨纶、丙纶中的一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述高分子薄膜胶带的薄膜基底为聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺中的一种，胶黏剂成分为丙烯酸酯类、橡胶基类、硅胶类、环氧树脂类中的一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述源极和漏极的导电金属层为金、银、铜、铝、铂、铬、钛中的一种或几种，制备方法为热蒸镀法、磁控溅射法、化学反应法中的一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述有机半导体为聚噻吩类、聚吡咯类和聚苯胺类中的一种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述绝缘层为聚对二甲苯、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶、乙丙橡胶中的一种，制备方法为真空气相沉积法、热熔法、滴涂法、蘸涂法中的一种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中碳纳米管纤维栅极进一步负载表面修饰层，修饰材料为聚噻吩类半导体、聚吡咯类半导体、聚苯胺类半导体、铂纳米粒子、金纳米粒子、铜纳米粒子中的一种或几种，修饰方法为电化学沉积法、化学反应法中的一种或两种。

8.由权利要求1-7之一所述制备方法得到的快响应纤维垂直有机电化学晶体管。

技术总结本发明属于有机电化学晶体管技术领域，具体为一种快响应纤维垂直有机电化学晶体管及其制备方法。本发明通过将薄膜源电极缠绕在纤维漏电极的曲面上，形成同轴阶梯式配置的源漏电极结构，然后在阶梯处负载有机半导体层以形成小尺寸的垂直式沟道，制备得到快响应纤维垂直有机电化学晶体管；该纤维有机电化学晶体管具备响应速度快、跨导值高的特点，并且在循环开关、动态形变和长期浸泡中保持性能稳定；经免疫组化分析，其具有优异的生物相容性；该纤维有机电化学晶体管能够实现生物软组织内快速变化的心电信号的实时监测，并用于心脏疾病的诊断和长期管理，为生命科学基础研究、临床诊断提供了强有力的新工具。技术研发人员：孙雪梅,陈嘉伟,方圆,彭慧胜受保护的技术使用者：复旦大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14