第一作者：张镐哲

通讯作者：魏磊教授

通讯单位：南洋理工大学

【研究背景】

具有电子功能的纤维或织物制造的可穿戴电子设备为传感、显示、电路和计算提供了一个新的平台。这些新概念设备对人类友好且可编程，这使得它们成为现代电子产品不可或缺的一部分。它们独特的特性，例如在我们日常生活中的适应性，以及轻巧和灵活的特性，使得机器人、医疗保健和物联网 (IoT) 中的许多有前景的应用成为可能。晶体管作为电子系统中的基本元器件之一，可以进行信号处理和运算。因此，将晶体管集成在织物上的研究引起了极大的兴趣。近日，新加坡南洋理工大学魏磊教授团队在Frontiers of Optoelectronics期刊上发表了一篇以“Recent progress of fiber-based transistors: materials, structures and applications“为题的综述文章。这篇综述文章涵盖了纤维基晶体管的几个方面，包括材料、系统结构及其功能器件，如传感器、逻辑电路、存储器件以及神经形态计算。文章还讨论了实现完全集成的电子织物系统所面临的挑战和最新的研究进展。

【内容简介】

1. 纤维基电子器件
电子器件近年来发展非常迅速，通过将各种材料与结构相结合，大幅提高了这些设备的多样性和功能性。这些电子器件将世界各地的人们连接起来，同时实现电子设备与环境之间的交互，从而极大地改变了我们的生活。可穿戴电子产品作为一种新型电子设备，可以作为配饰佩戴或嵌入衣服中，或者附着在人体上，增强用户与周围环境的直接互动。智能织物是一种将传统纺织品与电子功能相结合的新型穿戴式电子设备。这种织物具有吸引人的特性，例如，高动态弯曲弹性和拉伸性，同时保持高强度和渗透性、重量轻、热稳定性和化学稳定性。

目前，晶体管、存储器件、有机发光二极管和储能器件已经可以在曲面和柔性基板上构建。从以往的研究来看，用于制造纤维基器件的材料大致可分为三类：有机材料、碳基材料和金属纳米线 (NWs)/纳米粒子 (NPs)，如图1所示。有机导电聚合物，包括聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）、聚（3-己基噻吩）（P3HT）和聚吡咯（PPy），由于具有高灵活性、重量轻、易于制造和供应量大的优点，被广泛应用于制造可穿戴电子元件和设备方面。它们通常被归类为高度共轭聚合物的阳离子盐，其电性能可以通过有机合成和先进的分散技术进行微调。它们的高度可加工性允许以低成本大规模制造，但长期稳定性仍有待提高。在过去的几十年中，对碳基材料进行了全面研究，并且得到了广泛的应用。它们与其他有机材料和各种元素的化学结合形成强共价键，从而表现出大表面积、高密度，以及高机械强度和硬度。碳纳米管（CNTs）、石墨烯和还原氧化石墨烯（rGO）已成为航空航天、光伏、电子、储能和光捕获的重要材料。限制碳基材料在大规模生产中应用的一个主要困难是由复杂且昂贵的制造工艺带来的高成本。因此，杂化材料成为有望克服这些限制的途径。除了有机材料和碳基材料外，金属的低维纳米结构由于其超高的导电性而对纤维器件具有吸引力。它们易于与其他有机导电材料混合，拓宽了应用范围。例如，镀银和镀金的纤维作为电极表现出更好的性能。通常，金属材料表现出高刚度和脆性，这限制了它们在可穿戴电子产品中的应用。另一种解决方案是通过沉积和静电纺丝在其他商用纤维表面上涂覆金属材料以提高可拉伸性。然而，在大多数情况下，这些器件作为单独的单元工作，它们之间无法进行强交互，从而降低了执行复杂任务的可能性，例如复杂的计算、机器视觉和有效的控制系统。

图1. 有机、碳基和金属线材料及其在传感、存储和逻辑计算中的应用。图1. 有机、碳基和金属线材料及其在传感、存储和逻辑计算中的应用。Polym. J. 47(10), 695–699 (2015)；Nano Energy 22, 422–438 (2016)；Chem. Phys. Lett. 644, 267–270 (2016)；Appl. Sci. (Basel, Switzerland) 8(4), 526 (2018)；Nanomaterials (Basel, Switzerland) 8(11), 944 (2018)；EcoMat 2(2), e12022 (2020)；Adv. Mater. 24(37), 5117–5122 (2012)；Nat. Commun. 11(1), 2405 (2020)；Adv. Mater. 29(31), 1701822 (2017)；Adv. Elect. Mater. 2(8), 1600160 (2016)

2. 纤维基晶体管

作为半导体器件中最重要的元件之一，晶体管用于放大或切换电路中的电子信号，从而使种类繁多的电子器件成为可能。它也是电路设计、数据传输和分析的基础。在电子织物系统中，主要有两种纤维基晶体管，即纤维场效应晶体管（FET）和有机电化学晶体管（OECT）。

传统的平面薄膜晶体管通常通过在支撑衬底上沉积有源半导体层和介电层薄膜以及金属接触，然后通过掩模工艺进行微图案化来制造。一些研究通过改进这些制造工艺成功实现了在纤维上制造晶体管。另一种是利用基于溶液法的工艺在纤维上形成有机半导体层，再通过后续的电极沉积来形成晶体管的结构，相比于传统的沉积镀层工艺，溶液法能降低制造成本且适宜纤维状器件的大规模生产。

由于 FET 的逐层结构，总是需要热沉积和掩模图案制作，这使制造过程复杂化并阻碍了大规模融入纺织品中。此外，这些晶体管的工作电压大，对栅介质层的厚度敏感，这进一步限制了它们在织物中的电性能。为了克服这些缺点，验证了基于 OECT 的不同器件结构。一种典型的结构是通过将两条涂有导电材料的纤维交叉放置，并在交叉处包裹一滴固体电解质。电解质和导电纤维之间的重叠面积和可逆过程分别调节了通道长度和有效通道的电导率，导致了几个数量级的变化，从而实现了ON/OFF操作。得益于通道层和电解质之间的相互作用，OECTs 对局部几何形状或电解质图案的变化不敏感，从而使得高度灵活的器件几何形状成为可能并降低了工作电压。此外，简单的制造工艺和结构使 OECT 成为大规模电子织物系统的有力候选者。然而，由于电化学工作机制，OECT现阶段仅适用于低频工作。开关速度慢、电性能差、响应时间长仍然是阻碍OECT进一步发展的障碍。

图2. 两种纤维基晶体管。ACS Nano 8(3), 2318–2327 (2014)；Adv. Func. Mater. 26(16), 2706–2714 (2016)；Nat. Mater. 6(5), 357–362 (2007)；Adv. Mater. 30(23), e1800051 (2018）

3. 基于晶体管的功能纤维

3.1 可穿戴传感器

生物传感器普遍应用于多个领域，例如临床诊断和检查、治疗期间的监测和机器人技术。它们负责有效地选择目标分析物（例如，葡萄糖、离子和多巴胺），然后将电信号传输到用户界面，提供实时健康监测和生物特征分析。随着高性能电子织物传感系统的快速发展，可穿戴生物传感器由于其与人体的完美兼容性以及高精度、灵活性和敏感性，正在成为医学传感和辅助诊断中有竞争力的候选者。微米级和纳米级纤维非常适用于小尺寸组织损伤的监测和检测。因此，近几十年来，使用纤维基晶体管作为可穿戴生物传感器的方法已被广泛采用，这为医疗保健监测提供了有效的工具。图3中展示了几种基于智能织物的生物传感器，可从人体汗液中探测生物信号，从而作为疾病探测的依据，其中包括葡萄糖，血压和各种离子浓度等。

除了生物和化学传感外，各种纤维基传感器已应用于应变和运动测量。这些传感器中的导电元件是石墨烯、碳纳米管、还原氧化石墨烯（rGO）/热塑性聚氨酯（TPU）、石墨、聚合物/碳纳米管复合材料，以及金属纳米线。此外，一些报道表明，在弹性体聚合物基材的帮助下，例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Ecoflex和聚氨酯（PU）[62]，传感器的拉伸性显著提高。此外，根据材料特性，已经提出了各种制造方法，例如逐层、浸涂、湿纺和喷涂。

图3. 基于织物的生物传感。Biosens. Bioelectron. 95, 138–145 (2017)；Adv. Func. Mater. 28(42), 1804456 (2018)；Adv. Mater. 33(3), e2006093 (2021)

3.2 基于纤维的逻辑电路

为了实现完全集成的电子织物系统，必须开发逻辑和运算组件，这些组件被认为是用于计算和处理的电子系统的“大脑”。最近，已经提出了几种在织物上实现逻辑功能的方法。一些通过印刷方法形成的图案结构已成功应用于各种有机基板上，以制造可穿戴电子设备。另一种方法是将指定的导电纤维编织成织物。例如，反相器作为逻辑功能的基本组件已经得到验证，如图 4(a) 和 4(b) 所示。通过在交叉放置的 PEDOT:PSS 涂层纤维的交界处添加电解质、导电油墨和绝缘体，形成了一个电反相器。借助织物电路图，说明了一种更复杂的4 通道线路复用器的数字设计 ，证明可以在织物衬底上设计所需的逻辑操作。另一个例子是一维纤维衬底上的 CMOS 反相器。通过碳纳米管沉积、碳纳米管隔离和选择性掺杂来制造纤维晶体管来实现动态逻辑操作。

图4. 基于纤维的逻辑电路。Nat. Mater. 6(5), 357–362 (2007)；Adv. Mater. 29(31), 1701822 (2017)；Adv. Mater. 21(5), 573–577 (2009)；Nano Lett. 17(10), 6443–6452 (2017)

3.3 基于纤维的记忆存储器件

忆阻器，被称为具有记忆效应的电阻器。作为基本电路元件，金属-介电-金属双结结构显示出由外部电压控制的可调电阻，被认为可以广泛适用于计算设备。基于纤维的忆阻器也是构建电子织物系统的重要元素。与平面忆阻器相比，由于非平面表面与现有的光刻和电子束蒸发等纳米加工的兼容性较差，因此更难实现。此外，界面之间的稳定性和忆阻材料的性能是基于纤维的忆阻器的主要关注点。为了应对这些挑战，如图5所示，通过电泳沉积将一层脱氧核糖核酸（DNA）作为活性材料成功地涂覆在纤维电极上。单个忆阻器由交错的Ag纤维和Pt纤维组成，采用自上而下的物理编织方法。另外一种纤维存储器如图 5b 所示。偏二氟乙烯和三氟乙烯的铁电共聚物 (P-(VDF-TrFE)) 的极化状态在电场下可逆地转换，通过毛细管沿整个 Ag 线表面均匀涂覆。通道中低的陷阱能量和快速的载流子积累加速了传输响应和开关速度，且具有很高的灵活性。

图5. 基于纤维的记忆存储器件。Chem., Int. Ed. Engl. 59(31), 12762–12768 (2020)；ACS Appl. Mater. Interfaces. 11(25), 22575–22582 (2019)

【总结】

在这篇综述中，讨论了纤维基晶体管的特点、潜力和挑战，以及它们在基于电子织物系统的传感、逻辑、记忆和神经形态计算中的应用。以织物为基础的电子产品已经得到了很好的发展，它们具有好的电子性能和可拉伸、轻质和柔韧的优点。此外，其他几种纤维基器件，如执行器和发光二极管也正在深入研究中。全球对基于 1D 纤维和 2D 纺织品的可穿戴电子产品的研究工作正在迅速增加。然而，由于受当前技术的限制，尚无法构建更多功能模块，如 ADC、数据处理器和无线通信，实现完全集成的电子织物系统仍然很困难。应用于纺织品的电子元件类型仍不足以实现大规模集成系统。因此，材料、物理、微电子和大数据等多学科合作对于增强电子纺织品的功能和完整性至关重要。下一代电子织物系统有可能展示出对嵌入各种现代电子设备的高度兼容性，以增强信号处理、计算和存储的能力。具有高机械和环境稳定性以及最低功耗的完全集成的电子织物系统将有望应用于医疗保健、体育和娱乐等诸多领域。

【通讯作者简介】

魏磊目前是新加坡南洋理工大学副教授。主要研究方向为纤维基器件、多功能纤维、生物纤维界面、纤维内能量产生与储存。现任南洋理工大学光纤技术中心（COFT）主任。他还担任光学学会 (OSA) 新加坡分会主席和 IEEE 光子学会新加坡分会主席。