可调谐3D气溶胶喷印技术制备低功耗氧化还原门控晶体管及其多组分墨水研究

这篇综述创新性地展示了气溶胶喷印技术（AJP）在制备氧化还原门控晶体管中的应用，通过优化二氧化钒（VO2）纳米颗粒墨水和固态电解质墨水，实现了0.4V超低门控电压下的稳定电导调制（6000次循环无衰减）。研究揭示了聚合物稳定剂（PSMA）对纳米颗粒分散的关键作用，以及光热退火对薄膜性能的调控机制，为柔性电子和神经形态计算器件提供了新思路。

　　

摘要

本研究突破性地采用气溶胶喷印技术（AJP）制备了具有氧化还原门控功能的VO₂晶体管。通过将VO₂纳米颗粒与聚苯乙烯-马来酸酐（PSMA）稳定剂复合，开发出可在0.4V超低电压下工作的器件，其电导率可通过氧化还原反应实现150%的调制，并保持6000次循环稳定性。这种固态器件避免了传统电解质门控（ECT）的结构缺陷问题，为印刷混合电子（PHE）开辟了新路径。

1 引言

具有金属-绝缘体转变（MIT）特性的VO₂因其近室温相变特性，在智能窗、存储器等领域备受关注。传统电解质双电层（EDL）门控存在响应慢、结构损伤等缺陷，而氧化还原门控通过纯电子传输实现亚伏特级载流子密度调控。研究创新性地将AJP技术应用于多层器件制造，该技术能直接在3D表面打印电子元件，此前已用于超薄电池电解质等领域。

2 结果与讨论

2.1 通道墨水的配方与加工

通过行星式球磨将VO₂颗粒从微米级降至15-30nm，并采用PSMA稳定剂控制溶液聚集态。动态光散射（DLS）显示，胶体研磨后的墨水形成200nm均匀簇团（图2），X射线衍射（XRD）证实研磨未改变单斜晶相结构。添加0.5% PSMA的墨水可稳定承载15% VO₂负载量，粘度约1mPa·s适合AJP打印。

2.2 固态VO₂纳米复合材料的形态与传输特性

差示扫描量热法（DSC）显示胶体研磨墨水产生尖锐的MIT峰（65°C），而未经处理的样品呈现双峰。阻抗测试表明10% VO₂复合材料的电导率比纯PSMA高5个数量级，相变时电导率提升近10倍。光热退火（<1J/cm²）可避免VO₂还原为V₂O₃，同时使薄膜电阻在25-100°C区间产生15倍变化（图4）。

2.3 氧化还原墨水与多层器件打印

开发了含铁氰化钾（PHCF）的氧化还原墨水，通过聚乙烯醇（PVOH）和甘油构建交联网络。X射线荧光显微镜（XFM）显示打印器件中VO₂层与针状铁氰化物晶体形成清晰界面（图6）。循环伏安（CV）测试显示PHCF在±0.35V发生可逆氧化还原反应。

2.4 AJP打印器件的性能

器件在0.5V门压时漏极电流（I_ds）达到静态值的150%，响应时间为0.9-1.0秒（图7）。门源泄漏电流（I_gs）仅为I_ds的1/5，证实电导调制源于载流子注入而非简单漏电。器件在±0.5V循环测试中展现优异稳定性，性能衰减可忽略不计。

3 结论

该工作通过AJP技术实现VO₂纳米复合材料和固态电解质的精确打印，创制出低功耗氧化还原门控晶体管。未来可通过优化离子凝胶电解质提升开关速度，为柔性电子和生物电子器件提供新范式。

4 实验方法

VO₂墨水采用乙醇/萜品醇溶剂体系，PHCF墨水以水/乙醇为共溶剂。电学测试使用Keithley 2612B源表，同步辐射表征在布鲁克海文国家实验室完成。