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AM:米级单壁碳纳米管薄膜的连续制备及其柔性透明集成电路(中科院金属所先进炭材料研究部)

【文章亮点】

将浮动催化剂化学气相沉积方法与气相抽滤成膜方法相结合,首次实现了室温、常压条件下米级单壁碳纳米管(SWCNT)薄膜的连续制备和转移,薄膜表现出优异的光电性能和均匀性,用此薄膜成功制备出101阶环形振荡器,展现了全碳器件优异的电学、柔性、全透明等性能。

 

【引言】

SWCNT具有优异的力学、电学和光学性质,在柔性和透明电子器件领域可应用于透明电极材料或半导体沟道材料,因此被认为是最具竞争力的候选材料之一。但开发出可高效、宏量制备高质量的SWCNT薄膜的方法已成为该材料走向实际应用的关键瓶颈。首先,迄今制备的SWCNT薄膜的尺寸通常为厘米量级,批次的制备方式不满足规模化应用需要。其次,由于在SWCNT薄膜制备过程中通常会引入杂质和结构缺陷,使得薄膜的光电性能劣化,远低于理论预测值。因此,发展一种高效、宏量制备高质量SWCNT薄膜的制备方法具有重要价值。

 

【成果简介】

近日,中科院金属所成会明院士、孙东明研究员和刘畅研究员研究团队(共同通讯作者)在国际顶级期刊Advanced Materials上发表Continuous Fabrication of Meter-Scale Single-WallCarbon Nanotube Films and their Use in Flexible and Transparent IntegratedCircuits的论文,中科院金属所博士研究生汪炳伟和上海科技大学蒋松为共同第一作者。他们提出了一种连续合成、沉积和转移SWCNT薄膜的技术,制备出米级尺寸的高质量SWCNT薄膜。所得薄膜具有优异的光电性能,在550纳米波长下其透光率为90%,方块电阻为65Ω/。利用制备的SWCNT薄膜构筑了高性能全碳柔性薄膜晶体管(TFT)以及101阶环形振荡器等柔性全碳集成电路(IC)。该结果为基于SWCNT薄膜的大面积、柔性和透明电子器件的未来发展铺平了道路,展示了SWCNT薄膜在大面积、柔性和透明电子器件中的广阔应用前景。

 

【图文解析】

AM:米级单壁碳纳米管薄膜的连续制备及其柔性透明集成电路(中科院金属所先进炭材料研究部)

1:米级SWCNT薄膜的制备。

AM:米级单壁碳纳米管薄膜的连续制备及其柔性透明集成电路(中科院金属所先进炭材料研究部)

2 SWCNT薄膜的性能表征。a)透光率和b)方块电阻的面分布表征。均匀选取60个点用于薄膜透光率和方块电阻的统计分析。c)薄膜性能与之前报道结果的比较。dSWCNT薄膜的SEM图像。 eSWCNT薄膜的TEM图像。

 

AM:米级单壁碳纳米管薄膜的连续制备及其柔性透明集成电路(中科院金属所先进炭材料研究部)

3:全碳薄膜晶体管TFTa)在尺寸为100×100 mm2的柔性PEN衬底上制造的全SWCNT-TFT器件。bPEN衬底(黑线)和包含衬底的全SWCNT器件(红线)的光学透过率。插图:埋栅结构全SWCNT-TFT的光学显微镜照片。SDG分别代表源极、漏极和栅极。cPEN衬底上埋栅结构的SWCNT-TFT的横截面示意图。dPEN衬底上用于构筑电极材料的致密SWCNT薄膜的SEM图像。e)用于构筑沟道材料的半导体性SWCNT网络的SEM图像。f)在VDS = -1V265TFT的转移(IDSVGS)特性曲线。g)全SWCNT-TFT的输出(IDSVDS)特性曲线。

AM:米级单壁碳纳米管薄膜的连续制备及其柔性透明集成电路(中科院金属所先进炭材料研究部)

4 :全SWCNT反相器。a)电路图。VDDINOUTGND分别表示电路的供给电压、输入信号、输出信号和接地端。bPEN衬底上反相器的光学显微镜照片。c)反相器的输入输出(黑线)和增益(蓝线)特性曲线。VDD = -5 V. d)单个样品位于同一位置处54个反相器的电学性能曲线。

AM:米级单壁碳纳米管薄膜的连续制备及其柔性透明集成电路(中科院金属所先进炭材料研究部)

5:全SWCNT逻辑门和环形振荡器。a)由13pTFT组成的双输入XOR逻辑门电路图。b)在柔性PEN衬底上制造的XOR逻辑门的光学显微镜照片。cXOR逻辑门的输入输出特性曲线,其中“0”代表低逻辑电平,“1”代表高逻辑电平。d)在柔性PEN衬底上制造的101阶环形振荡器的光学显微镜照片。e)环形振荡器在VDD = -4.4 V时的输出特性曲线。

 

【结论】

研究人员首次开发出米级长度的碳纳米管薄膜的连续生长、沉积和转移技术,所制备的SWCNT薄膜及其TFT具有优异的光电性能,为未来开发基于SWCNT薄膜的大面积、柔性和透明电子器件奠定了材料基础。

 

Bing‐Wei Wang Song Jiang Qian‐Bing Zhu Yun Sun Jian Luan Peng‐Xiang Hou Song Qiu Qing‐Wen Li Chang Liu Dong‐Ming Sun Hui‐Ming Cheng, Advance Materials,2018.DOI:10.1002/adma.201802057

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