基于单手性碳纳米管的柔性印刷CMOS器件及相关研究

基本信息
批准号:61874132
项目类别:面上项目
资助金额:66.00
负责人:赵建文
学科分类:
依托单位:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
批准年份:2018
结题年份:2022
起止时间:2019-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:顾唯兵,Robin Malo,徐文亚,郭文瑞,刘停停,邵琳,罗慢慢,魏苗苗,宋敏特
关键词:
印刷CMOS器件单手性(98)碳纳米管印刷电子增强型薄膜晶体管柔性电子
结项摘要

Flexible printed carbon nanotube CMOS devices have become one of hot topics in printable electronics due to their promising applications in wearable electronics, smart tags, novel displays and so on. Semiconducting single-walled carbon nanotubes (sc-SWCNTs) inks with multiple chiralities and printed depletion-mode thin film transistors (TFTs) have become the bottlenecks in the development of high-performance printed carbon nanotube CMOS devices. Based on the proposer’s previous work on printed SWCNT TFTs, the present project is to further investigate the formulation of single chirality (9,8) sc-SWCNT inks and printing fabrication of high-performance enhancement-mode n-type and p-type TFTs on flexible substrates, as well as the construction of CMOS circuits. The main research topics include: (1) investigating the mechanisms of organic conjugated compounds interacting with single chirality (9,8) sc-SWCNTs by molecular dynamic simulation and advanced characterization techniques, so as to realize high purity sorting and large scale preparation of (9,8) sc-SWCNTs inks; (2) understanding the conversion of transistor polarity through tuning interface property using self-assembly of electrode layers and doping of sc-SWCNTs, so as to achieve both n-type and p-type enhanced-mode SWCNT TFTs; (3) identifying the influences of ink materials, printing processes and post-printing processes on the property of printed TFTs, so as to construct high performance flexible CMOS devices and circuits. In summary, this work will give a practical guide and provide a theoretical basis for expanding their applications in printable electronics.

柔性印刷碳纳米管CMOS器件在可穿戴电子和智能标签等领域有广泛的应用前景,已成为印刷电子领域的热点。多手性半导体碳纳米管墨水和耗尽型碳纳米管晶体管是制约碳纳米管CMOS器件发展的瓶颈。本项目在申请人多年研究印刷碳纳米管晶体管的基础上,进一步研究单手性半导体碳纳米管选择性分离、增强型柔性印刷碳纳米管晶体管和CMOS电路构建。研究内容与目标包括:1)在分子模拟计算和现代表征技术辅助下,系统研究有机共轭化合物与单手性(9,8)碳纳米管之间的作用机制,探明选择性分离机理,实现单手性碳纳米管墨水批量化制备;2)通过自组装和掺杂技术调控印刷电极功函和介电层与碳纳米管之间的界面特性,可控制备增强型p型和n型薄膜晶体管,探明器件极性转换机理;3)系统研究碳纳米管、介电和电极墨水材料与衬底表面及印刷和后处理工艺对器件性能的影响,构建出高性能柔性CMOS器件和电路,为其在印刷电子领域中的应用奠定坚实基础。

项目摘要

柔性印刷碳纳米管CMOS器件在可穿戴电子、智能标签和新型印刷显示等领域具有广泛的应用前景,已成为印刷电子研究领域的热点。要使印刷碳纳米管CMOS器件真正实用化需要解决单手性碳纳米管墨水制备和增强型薄膜晶体管构建这两大难题。本项目围绕单手性(9,8)半导体碳纳米管分离与墨水制备,以及增强型P型和N型柔性碳纳米管晶体管和CMOS电路构建而展开。具体研究内容与目标包括:(1)在分子模拟计算和现代表征技术辅助下,系统研究共轭有机化合物(PFIID等多种新型共轭化合物)与(9,8)碳纳米管之间的作用机制,探明选择性分离机理,实现高纯度单手性碳纳米管墨水的批量化制备;(2)通过自组装和掺杂技术调控印刷电极的印刷精度、功函和介电层与碳纳米管之间的界面特性,得到增强型P型和N型薄膜晶体管,探明碳纳米管晶体管极性转换机理;(3)系统研究碳纳米管、介电和电极墨水材料与衬底表面及印刷和后处理工艺对薄膜晶体管性能的影响,构建出超低功耗、低电压柔性碳基CMOS器件和电路(如在低工作电压下(9,8)碳纳米管薄膜晶体管器件的开关比高达108,CMOS反相器的电压增益大于30,噪声容限超过90%(1/2 VDD),静态功耗控制在2.5 pW左右)。项目执行期间发表研究论文20余篇(包括Nature electronics,Advanced Materials,ACS Nano,Advanced Functional Mateirals等),出版著作1本(印刷碳纳米管薄膜晶体管技术与应用-2020年高等教育出版社出版),培养研究生15余名,各方面指标达到项目要求。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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