首个“线基”晶体管问世，电子器件可完全由细线制成

导读

据美国塔夫茨大学官网近日报道，该校工程师团队开发出一种由亚麻线制成的晶体管，并创造出完全由细线制成的电子器件。

背景

如今，柔性电子的领域正在迅速扩张。大部分柔性电子器件都是通过将金属与半导体塑造成可弯曲的“波浪”结构，或者采用本质上柔软的材料例如导电聚合物来实现柔性。这些“柔软”的电子器件能够应用于一些特殊的设备，这些设备能与生物组织相容，并与之一起伸展。这些柔性电子器件可以嵌入到皮肤、心脏甚至脑组织等生物组织中。

可实时监测体内深处动脉血压的柔性超声波贴片（图片来源：参考资料【1】）

然而研究人员表示，与基于聚合物以及其他柔性材料的电子器件相比，线基电子器件在柔性以及材料多样性方面更胜一筹，且无需净室就可以制造。这种线基电子器件包括超薄、柔软的诊断设备，足以与它们正在测量的生物组织无缝地集成到一起。

创新

近日，美国塔夫茨大学的工程师团队开发出一种由亚麻线制成的晶体管，并创造出完全由细线制成的电子器件。这些细线可以编织成纺织品，穿在皮肤上，或者甚至（从理论上说）通过手术植入用于诊断监测。这种完全柔性的电子器件将开启一系列应用，顺应各种形状的物体，在自由移动时不会影响功能。

在《美国化学学会应用材料和界面（ACS Applied Materials and Interfaces）》期刊上发表的一项研究中，作者们描述了首个线基晶体管（TBT）的设计制造方法。这种晶体管可塑造成完全线基的简单逻辑电路和集成电路。这些电路取代了目前许多柔性设备最后剩余的刚性元件，当与线基传感器结合到一起时，可以创造出完全柔性的多路复用设备。

下图为线基晶体管：碳纳米管涂覆的亚麻线在源极（S）和漏极（D）金属线之间携带电流，以响应栅极（G）检测到的电压。

（图片来源：塔夫茨大学）

技术

之前，塔夫茨大学的工程师们开发了一系列线基的温度、葡萄糖、应力和光学传感器，以及可从周围组织中抽取样本或者向周围组织分发药物的“微流控”线。这项研究中开发的线基晶体管，使研究人员可创造出控制这些元件行为与响应的逻辑电路。论文作者们创造出一个称为“多路调制器（MUX）”的简单小规模集成电路，并将它连接到可检测钠和铵离子（对于心血管健康和肝肾功能来说重要的生物标记物）的线基传感器阵列上。

（图片来源：参考资料【2】）

塔夫茨大学工学院研究生、这项研究的第一作者 Rachel Owyeung 表示：“在实验室的实验中，我们能够展示我们的设备是如何监测多个位置的钠和铵浓度。从理论上说，我们可以扩大线基晶体管制成的集成电路的规模，连接大型传感器阵列，采用一个设备在多个不同的位置追踪多个生物标志物。”

制作线基晶体管（见图1）需要采用碳纳米管涂覆亚麻线，碳纳米管创造出一个半导体表面，让电子可以通过。连接亚麻线的是两根细金线：一根作为电子的“源极”；另一根作为电子从中流出的“漏极”（在某些结构中，电子可以流向其他方向）；第三根称为“栅极”的金属线连接着亚麻线周围的材料。栅极金属线上电压的微小变化，会造成大电流流过“源极”与“漏极”之间的亚麻线。以上就是这种晶体管的基本原理。

图1：线基晶体管的制造过程。a）亚麻线，b）附加上源极（S）与栅极（D）的细金线，c）用滴落涂布法在亚麻线表面涂上碳纳米管，d）施加注入电解质的凝胶（离子凝胶）栅极材料，e）附加栅极金属线（G），f）线基晶体管的剖面图。

电解质 EMI: 1-ethyl-3methylimidazolium TFSI: bis(trifluoromethylsulfonyl)imide