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喷墨印制柔性晶体管制备技术研究

廖小涵  
【摘要】:传统的硅基晶体管制造工艺,通常要经过涂胶、曝光、显影及刻蚀等工序加工而成,不仅工序流程复杂,且成本昂贵浪费耗材。近年来,柔性印刷电子技术因其高速大面积、低成本、耗材少、绿色环保的优势,使得其应用在薄膜晶体管器件的工业制造领域具有潜在的价值。半导体性碳纳米管由于具有极高的载流子迁移率、优异的导热性和理化特性以及易于与柔性印刷工艺相互兼容等优势,使其成为制备柔性晶体管的理想半导体沟道材料。本文提出了一种全印制的柔性碳纳米管场效应晶体管的制备技术,首先通过单壁碳纳米管的分离分散实验制备出适用于喷墨打印设备的墨水,对墨水在不同基板上的喷印适性进行研究,并选择了以聚丙烯膜涂覆表面的石科纸作为柔性绝缘栅介质层;使用喷墨打印和卷对卷柔版印刷的混合印制方式将图案化的催化种子层印刷到柔性基板上,经紫外固化处理后采用约束性化学沉积工艺原位生长出铜单质形成晶体管的源/漏/栅电极层,最后喷墨打印一层半导体性碳纳米管墨水,横跨源/漏电极形成沟道层,完成柔性场效应晶体管的制备。文中采用紫外-可见-近红外分光光度计、扫描电镜、电导率测试仪等测试方式对制备的碳纳米管墨水以及化学沉积的铜层电极进行测试与表征,并对制得的柔性晶体管的电学性能和抗弯折性能进行测试。碳纳米管经由芴基共轭聚合物的选择性包覆作用将半导体性碳纳米管分离出来,并通过表面活性剂将其制备成稳定分散的喷印墨水。在化学镀铜优化实验下获得的铜电极具有高电导率,铜层表面形貌致密、平整且线精度高。制备的晶体管具有较高的开/关态电流比(I_(on)/I_(off)≈2806)和明显的栅压调制作用。本文采用喷墨打印结合卷对卷柔版印刷的混合印刷技术制备的底栅底接触式场效应晶体管具有稳定一致的电学性能和抗弯折/特性,该技术在简化制备工艺的同时,有望大幅度降低电子器件的制造成本。


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