《Nano Energy》：Vertically integrated dual-gated tribotronic transistor for active-matrix tactile and proximity sensing
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垂直集成双栅极tribotronic晶体管阵列通过PDMS顶栅与ITZO TFT协同实现高密度触觉成像和可靠近场传感，兼具电调谐与机械鲁棒性。
作者：Byeong-U Bak, Jidong Jin, Jeongyoon Kim, Heesung Jung, Jaekyun Kim
韩国汉阳大学光子学与纳米电子学系，安山 15588
摘要
下一代电子皮肤和智能机器人需要高效、可扩展且多功能的感觉平台，以实现高分辨率的触觉和接近感知功能。然而，传统的摩擦电设备在灵敏度控制和大面积集成方面常常存在局限性。本文报道了一种垂直集成的双栅摩擦电晶体管，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）摩擦电传感层作为顶栅，堆叠在位于氧化铟锡锌（ITZO）薄膜晶体管（TFT）上方的专用顶栅绝缘体上，属于有源矩阵架构。这种垂直集成方式减小了像素占地面积，并实现了高密度阵列集成。双栅操作结合了ITZO TFT中的电偏置底栅和PDMS摩擦电顶栅，提供了协同的通道控制：底栅通过电场切换晶体管状态，而摩擦电势通过接触电化作用调节载流子传输，从而实现摩擦电响应的可调谐放大。一个10×10的有源矩阵阵列展示了每英寸36像素的空间分辨率的像素级触觉成像，以及高对比度的压力映射和可靠的接近感知功能。这项工作为先进电子皮肤和自主感知应用提供了可扩展且电可调谐的感觉阵列平台。
引言
现代电子技术的快速发展主要得益于持续的小型化、多功能性和便携性的提升[1][2][3]。近年来，人们大力关注用自供电的能量收集技术替代传统能源存储技术，尤其是在新兴的可穿戴和柔性系统中[4][5][6]。虽然当前电池技术由于寿命有限[7][8]无法满足大量传感器的可持续电力需求，但摩擦电纳米发电机（TENGs）引起了广泛关注[9][10]。TENGs通过接触电化和静电感应将机械刺激高效转换为电信号，因其高响应性和简单架构而成为交互式传感器的有力候选者[11][12][13][14][15][16][17]。TENGs与场效应晶体管的集成催生了摩擦电学领域，使得外部机械刺激可以直接调节载流子传输，从而实现高度敏感的主动触觉接口[18][19][20][21]。
尽管取得了这些进展，现有摩擦电系统的可扩展性和功能可调性仍然是开发实用、高性能感觉阵列的重要瓶颈[22][23][24]。早期基于硅的摩擦电设备存在刚性不足和大规模应用时扩展性受限的问题[25][26]。作为替代方案，有机半导体虽然具有更好的机械柔韧性，但通常受到载流子迁移率低和环境稳定性差的限制[27][28][29]。相比之下，基于二维（2D）材料的摩擦电设备表现出优异的电性能；然而，它们对复杂转移工艺和高制造成本的依赖阻碍了大面积均匀性和可重复集成[30][31][32][33]。在这种背景下，氧化半导体（如氧化铟镓锌（IGZO）和氧化铟锡（ITO）成为有前景的平台。氧化半导体在迁移率、大面积均匀性和与工业阵列制造工艺的兼容性方面取得了良好的平衡[34][35][36][37]。然而，大多数现有的基于氧化半导体的摩擦电设备仅依赖摩擦电势（Vtribo）作为固定的栅极控制源[35][37]。这种栅极配置导致灵敏度不可调节，无法适应不同的感知范围，限制了其在需要操作点调制的复杂有源矩阵系统中的应用[38][39][40]。
本文报道了一种垂直集成的摩擦电晶体管阵列，每个传感像素包含一个作为顶栅的PDMS摩擦电层，堆叠在位于氧化铟锡锌（ITZO）薄膜晶体管（TFT）上方的专用栅极绝缘体（GI）上。这种垂直堆叠配置减小了像素占地面积，为实现高密度集成提供了实用途径。摩擦电晶体管结合了底栅场效应控制和PDMS界面产生的摩擦电势（Vtribo），通过电偏置和接触电化共同调节载流子传输。重要的是，底栅调谐可以原位控制摩擦电响应，与单栅摩擦电设备相比，能够实现放大的信号和更宽的操作感知范围。此外，集成阵列还支持可靠的接触检测、接近感知和高分辨率的2D空间映射。这些结果凸显了电可调谐且机械坚固的摩擦电有源矩阵阵列在下一代自适应传感接口和电子皮肤中的应用潜力。
部分内容摘录
PDMS薄膜制备
PDMS弹性体首先通过将PDMS基底（Sylgard 184，Dow Corning）与氯仿（Sigma-Aldrich）按2:1的重量比溶解来制备。溶液在200 rpm下搅拌10分钟以确保均匀混合。随后加入固化剂，与PDMS基底的重量比为10:1，继续在700 rpm下搅拌6小时以实现完全混合。最终得到的溶液在真空干燥器中脱气30分钟。
摩擦电晶体管的工作原理
摩擦电晶体管通过垂直接触分离引起的摩擦电效应进行栅极控制，如图1c所示。(i) 在接触状态下，PDMS/不锈钢界面形成摩擦电荷，PDMS带负电荷，不锈钢带正电荷[41]。由于带相反电荷的表面距离很近，产生的摩擦电势（Vtribo）被有效屏蔽，栅极介质上没有明显的电场建立。结论
总结来说，我们展示了一种垂直集成的10×10双栅摩擦电晶体管有源矩阵阵列，其中PDMS摩擦电传感层作为顶栅集成在ITZO TFT像素上方，通过专用顶栅绝缘体实现。通过结合底栅场效应控制和摩擦电顶栅控制，这种架构实现了触觉和接近响应的可调谐调制。摩擦电电流调制强烈依赖于……（原文此处内容不完整）
CRediT作者贡献声明
Heesung Jung： 方法论设计。
Jaekyun Kim： 监督。
Byeong-U Bak： 文章撰写——初稿、可视化、软件开发、实验研究、数据分析。
Jidong Jin： 文章撰写——审阅与编辑。
Jeongyoon Kim： 方法论设计、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了韩国技术研究院（KIAT）的资助（由韩国政府（MOTIE）提供，项目编号：RS-2025-02263458和RS-2023-KI002693，属于工业创新HRD计划），韩国基础科学研究院（国家研究设施与设备中心）的资助（项目编号：2021R1A6C101A405），以及韩国电技术研究院（KERI）通过国家研究委员会的支持（主要研究项目）。
Byeong-U Bak 拥有汉阳大学应用物理学学士学位，目前正在汉阳大学光子学与纳米电子学系攻读博士学位。他的研究主要集中在自供电系统及其应用方面，同时对微LED、薄膜晶体管、微流控系统和新兴可穿戴设备也表现出兴趣。
