柔性、透明全碳薄膜晶体管的设计、装配与性能研究

Novel nanomaterials such as carbon nanotube and graphene have great potential applications in flexible electronics devices, due to their excellent electrical, optical and mechanical properties. The transparency and flexibility of current devices are somewhat limited by the use of rigid electrodes and insulators in thin-film transistors. In this proposal, we propose all-carbon nanomaterials thin-film transistors, in which the active channels are formed by a sparse carbon nanotube thin-film, passive elements by a dense carbon nanotube thin-film or graphene layer, and dielectric by a polymer. We will investigate the key effects to improve the performances of transistors, including nanotube properties and its network structure, contact mechanism of the interfaces between all-carbon nanomaterials. We will also clarify the theory of low-voltage operation for the carbon nanotube thin-film transistor with a thick insulator layer. We will fabricate the transistors with a split top-gate configuration and evaluate the perforamnces in terms of electrical, transparent, flexible and moldable properties. The results obtained in this proposal will pave the way for fantastic flexible electronics with high-performance, flexibility, transparency and moldability.

碳纳米管和石墨烯等新型纳米材料具有优异的电学、光学和力学特性，在柔性电子器件领域具有广阔的应用前景。现有柔性薄膜晶体管器件由于脆性电极或绝缘层材料的使用等原因，未能展现出理想的透明度和柔韧性。本项目提出采用全碳纳米材料制作柔性薄膜晶体管，并研究影响器件性能的关键因素与规律，阐释其性能优化机制。以低密度碳纳米管薄膜为沟道材料、高密度碳纳米管薄膜或石墨烯薄膜为电极、聚合物材料为绝缘层，设计装配全碳薄膜晶体管器件。将重点考察碳纳米管性质及其网络结构对晶体管器件性能的影响，分析全碳纳米材料界面接触机制对晶体管性能优化的作用，阐明厚绝缘层碳纳米管薄膜晶体管可低电压工作的机理。研究分离顶栅结构晶体管器件制作的关键工艺，系统考察全碳薄膜晶体管在电学、透光性、柔性及可塑性等方面的独特性能，为实现高性能、柔性、透明、可塑的新型碳纳米电子器件提供科学基础。

本项目按照计划任务书针对全碳薄膜晶体管开展了器件设计、装配与性能研究，全面完成了研究任务。研究内容主要包括：大面积、均匀、密度可控的单壁碳纳米管薄膜的制备；采用半导体性占优的碳纳米管制备薄膜晶体管；基于窄带隙分布的半导体性碳纳米管的薄膜晶体管器件；非金属催化剂选择性制备金属性/半导体性碳纳米管及全碳薄膜晶体管器件应用；碳热还原法制备全碳纳米管场效应晶体管；全碳薄膜晶体管构筑及其性能研究；氧化石墨烯喷墨打印全碳薄膜晶体管；柔性二硫化钨薄膜晶体管制备与性能研究；以光刻胶为栅绝缘介质的碳纳米管柔性薄膜晶体管及存储器件。取得的主要研究成果包括：利用浮动催化剂化学气相沉积方法制备了单壁碳纳米管，实现了大面积、均匀、密度可控的碳纳米管薄膜的连续制备，薄膜具有优异的光电性能，在透光率90%的条件下获得的薄膜电阻为60Ω/□；利用碳热还原法、催化剂工程法和原位刻蚀法等方法制备了半导体性碳纳米管薄膜作为沟道材料，构建了高性能薄膜场效应晶体管器件；突破了分离顶栅结构的全碳薄膜晶体管器件制作的关键工艺，并开展了以聚合物为栅绝缘层的器件设计、构筑与性能研究；阐明了碳纳米管性质及其网络结构对晶体管器件性能的影响，明确了全碳纳米材料界面接触机制对晶体管性能优化的作用，阐明了厚绝缘层碳纳米管薄膜晶体管可低电压工作的机理。全碳薄膜晶体管透光率>80％（含衬底），电流开关比>10^6，载流子迁移率300 cm^2/Vs。此外，还合作研究了基于印刷和转移工艺的碳纳米管、石墨烯等二维材料柔性薄膜晶体管的器件研究，考察了低维材料薄膜晶体管器件在电学、透光性、柔性及可塑性等方面的独特性能。截至2017年2月，共计在Nature Communications、ACS Nano、Small、Advanced Electronic Materials等杂志发表SCI论文11篇（另有4篇在审），相关研究工作在学术会议上作邀请报告12次。项目负责人孙东明研究员获得了国家优秀青年科学基金的资助，并入选了中组部青年千人计划。综上，本项目的顺利实施展现了全碳薄膜晶体管在电学、透光性、柔性及可塑性等方面的独特性能，为实现高性能、柔性、透明、可塑的新型碳纳米电子器件提供科学基础。