具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种超高增益有机放大器，为由一个驱动晶体管和一个负载晶体管串联构成的耗尽型-负载放大器，其中负载晶体管的栅极与源极短接，其电路结构如图1(a)；该驱动晶体管和负载晶体管的放大器中栅极介电层为铁电性氧化物薄膜，半导体沟道层为有机分子薄膜，通过对采用铁电性氧化物作为有机薄膜晶体管的介电层，结合有机分子薄膜半导体层，实现了高达1.1×10⁴的电压增益，这是目前同类结构器件的最高纪录；同时，放大器可以在超低工作电压(1V)下工作，可以利用电池驱动。此外，该超高增益有机放大器可以在柔性衬底上实现。

实施例1

制备超高增益有机放大器，步骤如下：

1)设计和制备局域的栅极电极。本实施例设计了两个有机薄膜晶体管串联而成的耗尽型-负载放大器，图1(a)是该放大器的电路图，图1(b)是设计的放大器的截面图。以购买的二氧化硅/硅为衬底，按照放大器电路图，利用标准的电子束曝光和蒸发工艺，制备局域的栅极电极，栅极金属为10nm钛和10nm的金。

2)利用原子层沉积技术，在做好局域栅电极的衬底上生长铪锆氧/氧化铝作为介电层。将衬底放入原子层沉积腔体中，对腔体抽真空，升温至150℃，保持30min后，以四(二甲胺基)铪和四(二甲胺基)锆作为金属源，水作为氧化源。生长一次铪锆氧的程序为，先通一个锆源脉冲，然后一个水源脉冲，其后为一个铪源脉冲，最后为一个水源脉冲，此为一个生长周期。设定100个循环，开始生长铪锆氧薄膜，厚度约为22nm。待铪锆氧生长结束后，以三甲基铝作为金属源，水作为氧化源，将循环次数设定为20，开始生长氧化铝，厚度约2nm。生长结束后，将衬底放入快速退火炉内，在450℃的条件下快速退火1min。

3)利用电感耦合等离子体刻蚀部分栅极金属层上的铪锆氧，用于栅源通孔连接以及后期测试连接。首先是将样品利用电子束曝光，暴露出需要刻蚀区域，其它区域被光刻胶保护。然后将样品放入三氯化硼和氯气的混合气体，其中三氯化硼的流量为25sccm，氯气的流量为10sccm。将偏置功率设定20W，射频功率设定为280W，刻蚀时间设定为30s。

4)利用溶液半月形剪切法生长2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩薄膜，然后利用范德华转移方法，转移器件电极。首先，用溶剂四氢萘和有机分子粉末2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩配制浓度为0.2mg/mL的有机溶液；然后，将溶液注入到衬底和刮板的相交处；衬底和刮板的温度都设置为65℃，间距为100μm，刮板的倾斜角度为15°，速度为2～3μm/s，利用电动位移台控制刮板向一个方向连续移动，完成有机晶体的生长；接着在图形化好的器件电极上旋涂1～2μm的聚甲基丙烯酸甲酯，在150℃条件下烘烤5min；再利用热释放胶带将聚合物和金电极一起揭起，转移到有机的半导体沟道层表面。图2是制备好的超高增益有机放大器的光学显微镜照片，驱动和负载晶体管的长宽比分别为15和40。

对制备好的超高增益有机放大器进行电学测试。图3(a)是该有机放大器的电压转移特性曲线，工作电压分别为-1V和-3V，器件在几个毫伏范围内完成电压的翻转。图3(b)是根据该有机放大器的电压转移特性曲线计算的放大器的增益与输入电压的依赖关系，从图中可以看出，放大器的最大的增益值约为11220，这一结果远大于目前所有报导过的放大器的性能。

实施例2

在柔性基底上制备超高增益有机放大器，步骤如下：

1)在硅衬底上制备聚酰亚胺薄膜作为柔性基底。首先，在二氧化硅/硅基底上旋涂聚酰亚胺溶液(AA-49,KANEKA)，转速为1500转/分钟，时间为45s。然后，350℃烘烤1h。制备过程在氮气氛围的手套箱中完成。

2)设计和制备局域的栅极电极。利用标准的电子束曝光和蒸发工艺，按照图1(a)设计的放大器电路图，制备局域的栅极电极，栅极金属为10nm钛和10nm的金。

3)利用原子层沉积技术，在做好局域栅电极的衬底上生长铪锆氧/氧化铝作为介电层。将衬底放入原子层沉积腔体中，对腔体抽真空，升温至150℃，保持30min后，以四(二甲胺基)铪和四(二甲胺基)锆作为金属源，水作为氧化源。生长一次铪锆氧的程序为，先通一个锆源脉冲，然后一个水源脉冲，其后为一个铪源脉冲，最后为一个水源脉冲，此为一个生长周期。设定100个循环，开始生长铪锆氧薄膜，厚度约为22nm。待铪锆氧生长结束后，以三甲基铝作为金属源，水作为氧化源，将循环次数设定为20，开始生长氧化铝，厚度约2nm。生长结束后，将衬底放入快速退火炉内，在350℃的条件下快速退火1min。

4)利用电感耦合等离子体刻蚀部分栅极金属层上的铪锆氧，用于栅源通孔连接以及后期测试连接。首先是将样品利用电子束曝光，暴露出需要刻蚀区域，其它区域被光刻胶保护。然后将样品放入三氯化硼和氯气的混合气体，其中三氯化硼的流量为25sccm，氯气的流量为10sccm。将偏置功率设定20W，射频功率设定为280W，刻蚀时间设定为30s。

5)利用溶液半月形剪切法生长2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩薄膜。然后利用范德华转移方法，转移器件电极。首先，用溶剂四氢萘和有机分子粉末2,9-二癸基二萘酚[2,3-b:2'，3'-f]噻吩[3,2-b]噻吩配制浓度为0.2mg/mL的有机溶液；然后，将溶液注入到衬底和刮板的相交处；衬底和刮板的温度都设置为65℃，间距为100μm，刮板的倾斜角度为15°，速度为2～3μm/s，利用电动位移台控制刮板向一个方向连续移动，完成有机晶体的生长；接着在图形化好的器件电极上旋涂1～2μm的聚甲基丙烯酸甲酯，在150℃条件下烘烤5min；再利用热释放胶带将聚合物和金电极一起揭起，然后转移到有机的半导体沟道层上。

6)将制备好的器件从硅衬底上剥离，成为柔性的超高增益有机放大器。

对制备好的柔性有机放大器进行电学测试，如图4，其中，实线是该放大器的电压转移特性曲线，工作电压为-3V，器件在几个毫伏范围内完成电压的翻转；点线是根据该放大器电压转移特性曲线计算的放大器的增益与输入电压的依赖关系，可以看出，放大器的最大的增益值约为10000。电学测试结果表明，在柔性衬底上制备的柔性有机放大器的电学性能不亚于在刚性衬底上的器件，这为超高增益有机放大器的可穿戴应用奠定了基础。

实施例3

利用实施例2制备的超高增益的柔性有机放大器制备电池供电的放大器模块。

如图5(a)所示，结合1.5V的钮扣电池，两个阻值分别为1kΩ和2kΩ的标准电阻，柔性的聚酰亚胺电路板以及柔性有机放大器，组合成钮扣电池供电的有机放大器模块。图5(b)是该放大器模块的电压特性曲线，表明通过电阻分压后，电池为放大器提供1V的电压，此时放大器模块可以正常工作，增益超过1000。可见，本发明的超高增益有机放大器可实现电池驱动，为低电压工作有机可穿戴电子设备的实现奠定了基础。

实施例4

利用实施例2制备的超高增益的柔性有机放大器进行人体心电信号的检测和放大。

根据图6(a)所示，利用导电凝胶贴合在人体心脏附近皮肤(如图中所标示的位置)，将心电信号导入放大器件输入端，使用电压表在输出端采集放大器的输出信号。此时，图中V+连接输入端，V-串联一个可调节电压源，用于调节输入信号的基线。

选择一名成年男子(31岁)作为心电监测目标，放大器的工作电压设定为1V。图6(b)是经过有机放大器放大后的人体心电图，可以清楚的观测到P、Q、R、S、T和U波。心电信号振幅超过350mV，放大倍数约为324倍，信噪比为42dB。可见，本发明的有机放大器的工作电压、放大倍数和信噪比等性能参数，明显优于目前已经报导的同类结构，在人体生物信号放大方面具有显著的优势，说明其在可穿戴医疗电子领域具有巨大的应用前景。

实施例5

利用实施例2制备的超高增益的柔性有机放大器监测具有房颤病史患者的心电信号，辅助临床诊断。

根据图6(a)所示，利用导电凝胶贴合在人体心脏附近皮肤(如图中所标示的位置)，将心电信号导入放大器件输入端，使用电压表在输出端采集放大器的输出信号。此时，图中V+连接输入端，V-串联一个可调节电压源，用于调节输入信号的基线。

选择一位具有房颤病史的老年男子(80岁)作为心电监测目标，放大器的工作电压设定为1V。图7(a)是利用临床心电图机(NIHON KOHDEN ECG-1350P)采集的患者的心电信号，未见明显的房颤波(f波)。图7(b)是利用本发明的柔性有机放大器采集的患者的心电信号，可以观察到明显的频率为357bpm的f波，表明患者还存在房颤症状。结果表明，本发明的超高增益的柔性有机放大器具有检测微弱f波的能力，甚至一定程度超过了目前临床所使用的心电设备，说明其具有成为现在临床心电诊断有效补充的潜力。