印刷碳纳米管薄膜晶体管构建及性能研究

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印刷电子技术是采用印刷技术使功能性的电子油墨在合适的基板上制备电子器件和系统的新型绿色增材制造技术。作为硅基电子的创新和补充,印刷电子在可穿戴电子、RFID柔性标签、柔性显示及照明、医疗健康、柔性薄膜太阳能电池等领域已经显现出广阔的市场前景。其中印刷薄膜晶体管是印刷电子领域中的核心元件之一。半导体材料的本身的性能在很大程度上决定了印刷薄膜晶体管的性能。由于单壁碳纳米管(SWCNT)具有载流子迁移率高、价格适宜、后处理温度低、物理和化学性质稳定、溶液墨水化等优点,半导体碳纳米管被认为是构建印刷薄膜晶体管最理想的半导体材料之一。随着半导体碳纳米管纯化技术快速发展,p型印刷碳纳米管薄膜晶体管的性能如迁移率和开关比等得到显著提高。由于n型碳纳米管薄膜晶体管对水氧非常敏感,n型器件的制备技术和相关应用等严重滞后于p型碳纳米管薄膜晶体管,从而限制了n型碳纳米管薄膜晶体管在CMOS反相器及相关领域的应用。  本文的主要内容主要概括为以下4个方面:  (1)探索了一些新型共轭有机化合物包括新型聚合物和小分子对半导体碳纳米管的相互作用,得到了高纯的半导体碳纳米管墨水。构建出性能较好的p型碳纳米管薄膜晶体管器件。  (2)发展了一种新型n-型掺杂方法。在制作好的p型碳纳米管薄膜晶体管的沟道上选择性沉积一层极性转换膜(乙醇胺和乙酰丙酮锆混合物),经60℃低温退火处理10 min后可得到性能良好的n型碳纳米管TFT器件,如开关比可达106,迁移率可达30 cm2V-1s-1,回滞和亚阈值摆幅小,亚阂值摆幅在90-140 mV/dec范围内,器件的稳定性相对较好。并得到了性能较好的CMOS反相器,如在Vdd=1 V时,电压增益达到30,噪声容限分别可达到50%和103%),功耗仅为0.1μW。  (3)通过XPS、FTIR、UPS、Raman等探究了极性转换的机理,并拓展了极性转换材料的种类。  (4)探讨了n型碳纳米管薄膜晶体管在真空低温下的特性。在90 K时n型薄膜晶体管仍能能正常工作,开关比达105(Vds=-0.25 V)。
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