制造电化学晶体管的方法、实现该方法的喷嘴及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于静电纺丝领域，具体涉及制造电化学晶体管的方法、实现该方法的喷嘴及装置。
【背景技术】
[0002]由于有机场效应晶体管(OrganicField Effect Transistors, OFET)存在敏感的栅绝缘层厚度、较大的工作电压以及微型图案化制备的工序等不足，极大地限制了OFET在柔性大面积制造方面的应用，例如较大的工作电压使其无法保证可穿戴式装备的安全性。为了解决上述问题，目前大多数科研工作者提出了有机电化学晶体管(OrganicElectrochemical Transistors, 0ECT),它可以在电解质中工作，因为OECT具有不同的工作方式，且器件的尺寸和制造定位精度的要求相比于OFET的大大放宽。另外OECT工作所需要的电压仅有几伏特，安全可靠，而且耗能少。
[0003]传统的平面有机化学晶体管OECT是在玻璃或者塑料基板上沉积、刻蚀金属电极与沉积、印刷图案化的有机导电聚合物薄膜，此方法制得的晶体管具有高精度、高性能等特点,但同时也有工序复杂、成本高、材料兼容性差、集成度低、效率低等诸多不足之处。为了提高OECT的工业实际应用，需要在保证其电学性能的同时优化结构，降低生产难度，提高实际加工效率。
[0004]Mahiar Hamedi等提出一种新型的线型OECT结构及其制作方式，并将其命名为WECT(Wire Electrochemical Transistors)。此类晶体管主要由两根十字交叉的微纳米导电纤维组成晶体管的源极、漏极与栅极作为支架，在纤维交叉处由特殊的有机物溶液连接形成“结”，使其具有不输于传统平面有机化学晶体管的电学性能。通过改变晶体管的结构，大大减少了其加工工序以及加工难度，而且由于不存在热加工，与有机材料的兼容性大大加强，集成度也可以提升。但是交叉处的溶液需要用微纳探针逐一添加，最后凝固成“结”。这极大限制了实际加工的效率与精度的控制。因此需要针对WECT晶体管，在原有的基础上改进其加工工艺，解决交叉处溶液处理问题，提高生产效率，使其能切实应用到工业实际。
[0005]静电纺丝作为一种新兴的微纳米级制造工艺，具有低成本、高效打印有机物溶液或金属熔融物的能力。另外近场电纺丝与力控电纺丝工艺的提出使得高精度、高分辨率打印复杂图案成为可能，其出色的定位性能在大面积制造柔性器件方面具有巨大的优势。因此采用静电纺丝工艺可以实现低成本、高效、高精度、高分辨率、大面积制造有机电子器件。如若能通过静电纺丝工艺高效生产WECT，定将极大推动其工业前景。
[0006]黄永安等人在 “Controllable self-organizat1n of colloid microarraysbased on finite length effects of electrospun ribbons”文中提到的一种表面张力驱动的自组装工艺，可实现交叉纤维节点处溶液自组装，形成微滴阵列。静电纺丝工艺过程中将喷嘴和基板距离拉近，施加高压电场并同时使基板做高速直线运动，纺出的纤维将被拉直，并最终在基板上形成宽度均匀的直线形状的固化的纤维。通过控制XY运动平台运动，便可形成间距均匀的多根同向的直线纤维。改变XY运动平台的运动方向，在之前的纤维上直写出与原来的纤维方向垂直的直线纤维，便可形成网格状的纤维。将样本放入高湿的环境中，样本上的固化纤维便会吸水液化。由于表面张力的作用，液线发生断裂，并且在交叉点处形成液滴。将样本从高湿环境中取出，水分蒸发，便可形成规则的点阵。这一现象的发现为静电纺丝制造WECT的“结”提供了可行性。但是传统静电纺丝仅得到单根纤维，自组装后将只剩下分散的液滴，仍旧不具备电学性能。利用XY运动平台的控制，在已制得的纤维上再沉积一层纤维，使上层纤维自组装，剩下底层纤维形成WECT主体结构不失为一种解决方案。但是由于其要求XY运动平台具有极优越的重复定位性能与上下层纤维极易堆积不塌陷，不能大范围应用于工业生产。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是提供制造电化学晶体管的方法、实现该方法的喷嘴及装置，运用并列喷嘴的静电纺丝工艺大面积制造柔性WECT，此方法主要是利用并列喷嘴，同时在接收基板上实现两种不同的功能性有机溶液的静电纺丝过程，并运用力控电纺丝工艺纺制网格状图案化的微纳纤维。
[0008]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了利用并列喷嘴喷印制造柔性电化学晶体管的方法，包括以下步骤:
[0009]I)注入溶液:分别将有机溶液I和有机溶液II注入并列喷嘴的针管I和针管II内，调整并列喷嘴与XY运动平台的间距为2?8mm，通过高压发生器施加电压在并列喷嘴与XY运动平台上以形成泰勒锥；其中，有机溶液I为质量浓度为0.04?0.08g/mL的PEDOT: PSS溶液，有机溶液II为质量浓度为0.08?0.12g/mL的聚苯胺溶液；
[0010]2)沉积网格状纤维结构:将接收基底固定在XY运动平台上，先让XY运动平台沿X轴移动，使并列喷嘴喷出的有机溶液I和有机溶液II在接收基底上沉积形成下纤维；下纤维为上下两层，上层为有机溶液I形成的有机纤维I，下层为有机溶液II形成的有机纤维II ;下纤维沉积完成后将并列喷嘴旋转90°，使XY运动平台沿Y轴移动，在接收基底上沉积上纤维；上纤维为上下两层，上层为有机溶液II形成的有机纤维II，下层为有机溶液I形成的有机纤维I ;上纤维与下纤维形成网格状纤维结构；
[0011]3)网格状纤维结构自组装:使网格状纤维结构中的有机纤维I完成自组装。
[0012]优选地，步骤I)中，所述有机溶液I和有机溶液II为配制而成，配制后有机溶液I和有机溶液II分别在25?35°C下使用恒温磁力搅拌器搅拌6?8个小时，并静置后保存。
[0013]优选地，步骤I)中高压发生器施加的电压为I?3kV。
[0014]优选地，还包括自组装完成后进行的封装步骤:自组装完成后，在上纤维上覆盖一层柔性覆膜，以保证上纤维和下纤维的柔性及使与网格状纤维结构自组装与空气隔绝。
[0015]优选地，所述柔性覆膜的材料为PDMS或Ecoflex。
[0016]优选地，步骤I)中，使用流量泵I和流量泵II分别将有机溶液I和有机溶液II注入针管I和针管II内。
[0017]优选地，流量泵I和流量泵II输出溶液的流速相同，流量泵I输出溶液的流速为300 ?1000NL/min。
[0018]优选地，步骤2)中所述沉积下纤维和上纤维时，XY运动平台的速度均为300mm/s以下。
[0019]按照本发明的另一个方面，提供了并列喷嘴，所述并列喷嘴包括针管1、针管II及用于使针管1、针管II，所述针管I和针管II焊接在一起使并列喷嘴整体呈Y字形。
[0020]按照本发明的另一个方面，还提供了喷印制造柔性电化学晶体管的装置，包括并列喷嘴，所述并列喷嘴通过高压发生器与一 XY运动平台连接，XY运动平台由动力装置驱动且能沿X轴和Y轴移动，所述并列喷嘴位于XY运动平台的上方。
[0021]优选地，所述并列喷嘴的针管I通过管道I与流量泵I相连，并列喷嘴的针管II通过管道II与流量泵II相连。
[0022]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0023]I)工艺简单，采用并列静电纺丝工艺，一步制得微纳纤维，并且通过平台运动控制可直接实现阵列化纤维的制造；
[0024]2)工序简单，借助于表面张力驱动的自组装工艺可大面积稳定可靠实现WECT源极、漏极与栅极的连接；
[0025]3)成本低、效率高，静电纺丝以及自组装工艺极大缩减了制造时间与材料用量；
[0026]4)材料兼容性好，制造过程均未涉及高温工艺，有机、柔性材料均可得到极大的运用。
【附图说明】
[0027]图1是本发明中运用并列喷嘴实现电流体动力喷印的示意图；
[0028]图2是本发明中静电纺丝所得的网格状纤维结构的示意图；
[0029]图3a?