背景

如今，柔性電子的領(lǐng)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(jié)構(gòu)，或者采用本質(zhì)上柔軟的材料例如導電聚合物來實現(xiàn)柔性。這些“柔軟”的電子器件能夠應用于一些特殊的設(shè)備，這些設(shè)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(jiān)測體內(nèi)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(shè)備，足以與它們正在測量的生物組織無縫地集成到一起。

創(chuàng)新

近日，美國塔夫茨大學的工程師團隊開發(fā)出一種由亞麻線制成的晶體管，并創(chuàng)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(shù)植入用于診斷監(jiān)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(fā)表的一項研究中，作者們描述了首個線基晶體管（TBT）的設(shè)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(shè)備最后剩余的剛性元件，當與線基傳感器結(jié)合到一起時，可以創(chuàng)造出完全柔性的多路復用設(shè)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(shù)

之前，塔夫茨大學的工程師們開發(fā)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(fā)藥物的“微流控”線。這項研究中開發(fā)的線基晶體管，使研究人員可創(chuàng)造出控制這些元件行為與響應的邏輯電路。論文作者們創(chuàng)造出一個稱為“多路調(diào)制器（MUX）”的簡單小規(guī)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(shè)備是如何監(jiān)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(guī)模，連接大型傳感器陣列，采用一個設(shè)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(chuàng)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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(guān)鍵創(chuàng)新就是，采用注入電解質(zhì)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。電解質(zhì)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(jīng)典晶體管中作為柵極材料使用的固態(tài)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(fā)，是制造完全柔性電子器件的重要一步。因此，我們現(xiàn)在可以將我們的注意力轉(zhuǎn)向為將來可能的應用，來改善這些設(shè)備的設(shè)計與性能。在許多的醫(yī)療應用中，實時測量生物標記物對于治療疾病和監(jiān)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(jiān)測設(shè)備，將成為一種相當強大的能力。”

關(guān)鍵字

柔性電子、晶體管、醫(yī)療、傳感器

參考資料

【1】https://www.nature.com/articles/s41551-018-0287-x

【2】Rachel E. Owyeung, Trupti Terse-Thakoor, Hojatollah Rezaei Nejad, Matthew J. Panzer, Sameer R. Sonkusale. Highly Flexible Transistor Threads for All-Thread Based Integrated Circuits and Multiplexed Diagnostics. ACS Applied Materials & Interfaces, 2019; DOI: 10.1021/acsami.9b09522

【3】https://now.tufts.edu/news-releases/engineers-make-transistors-and-electronic-devices-entirely-thread

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