蘇州納米所印刷碳納米管晶體管與CMOS電路研究獲進展

發布時間：2016-05-23 15:12 原文鏈接：蘇州納米所印刷碳納米管晶體管與CMOS電路研究獲進展

　　由于碳納米管具有獨特的電學性能、機械性能、優越的物理和化學穩定性以及容易墨水化，使得碳納米管成為印刷薄膜晶體管，尤其是印刷柔性薄膜晶體管最理想的半導體材料之一。盡管半導體碳納米純化技術已日趨成熟，但高純度半導體碳納米管的可印刷墨水批量化制備、碳納米管的準確定位和高性能n型印刷碳納米管晶體管的構建等仍是制約印刷碳納米管薄膜晶體管應用的瓶頸，還有待進一步研究。

　　最近，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所印刷電子中心趙建文研究小組與馬昌期研究小組合作，設計并合成出一系列可高效分離高純度半導體碳納米管的聚合物（PDPPb5T）和大分子（6T、9T、12T等）等共軛化合物。利用PDPPb5T分離半導體碳納米管墨水并印刷構建的碳納米管薄膜晶體管已達到40 cm2V-1s-1的遷移率，開關比達到3×107，亞閾值擺幅達到130-146 mV/dec（圖1）。并與日本AIST和新加坡高性能計算所合作對聚合物選擇性分離半導體碳納米管的機理進行了深入的研究（圖2）。在此基礎上構造出了性能優異的CMOS反相器，相關工作已經發表在Nanoscale, 2016, 8, 4588-4598。

　　在以上工作基礎上，趙建文研究小組通過調整印刷工藝，在同一柔性基板的不同區域選擇性印刷P-DPPb5T和PFO-TP分離的半導體碳納米管墨水，構建出回滯小、亞閾值擺幅小(n型172 mV/dec和p型162 mV/dec)的n型和p型碳納米管薄膜晶體管器件，其開關比和遷移率分別具有高開關達到~105和~15 cm2V-1s-1，并制作出柔性CMOS反相器和3階環形振蕩器。其CMOS反相器在Vdd =1 V時，增益為30，噪聲容限達到84%，功耗僅為0.1μW。3階環形振蕩器的振蕩頻率可達到3.3 KHz（圖3）。相關工作已經發表在Small, 2016, DOI: 10.1002/smll.201600452。

　　趙建文從2008年開始一直從事基于溶液化半導體碳納米管選擇性分離、高性能碳納米管薄膜晶體管器件的構建及應用研究，在Chem. Commun., 2009, 7182-7184； JACS, 2010, 132(47):16747-9； JPCC 2011, 115, 6975； Sci China Chem, 2011,54,1484-1490發表論文4篇，申請ZL美國ZL2項（Patent US20130040439和Patent US20120171103）。自2010年加入中科院蘇州納米所印刷電子學研究部以來，專注于可印刷半導體碳納米管墨水的批量化制備、高性能柔性印刷薄膜晶體管器件和電路等方面的應用研究。已實現可印刷高純半導體碳納米管墨水的批量化制備（如圖4所示），發表印刷碳納米管薄膜晶體管及印刷電路研究論文15篇，申請ZL15項（授權ZL2項：ZL 2012 1 056384.3和ZL 2012 1 0102957.8）。

　　以上工作得到國家自然基金、科技部“973”項目、中科院先導專項、江蘇省自然基金和蘇州納米所自有基金等的大力支持。