成果简介
本文，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所赵建文研究员团队等在《Nanoscale》期刊发表名为“Large area roll-to-roll printed semiconducting carbon nanotube thin films for flexible carbon-based electronics”的论文，研究开发了一种通用的卷对卷（R2R）印刷方法，以8 m min-1的印刷速度在柔性基材（如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、纸张和铝箔）上构建大面积（8 cm×14 cm）半导体单壁碳纳米管（sc-SWCNT）薄膜，使用高浓度sc-SWCCNT油墨和交联的聚-4-乙烯基苯酚（c-PVP）作为粘合层。
基于R2R印刷sc-SWCNT薄膜的底栅和顶栅柔性印刷p型TFT表现出良好的电气性能，载流子迁移率为约11.9 cm2 V−1 s−1，离子/Ioff比为约10^6，磁滞小，在低栅极工作电压（±1 V）下阈下摆幅（SS）为70–80 mV dec−1以及优异的机械灵活性。此外，柔性印刷互补金属氧化物半导体（CMOS）逆变器在低至VDD=−0.2 V的工作电压下显示了轨对轨电压输出特性，VDD=–0.8 V时电压增益为10.8，VDD为−0.2 V时功耗低至0.056 nW。据我们所知，与文献中报道的R2R印刷单壁碳纳米管TFT相比，本工作中基于R2R印刷sc-SWCNT有源层的印刷CMOS逆变器与文献报道的R2R印刷单壁碳纳米管TFT相比具有优异性能。因此，本研究报告的通用R2R印刷方法可以促进全印刷低成本、大面积、高产量和柔性碳基电子产品的发展。
图文导读
方案一：R2R凹版印刷（a）顶部门控和（b）底部门控SWCNT TFT和CMOS逆变器在柔性基板上（包括PET，Al和纸张）的制造工艺示意图。
图1. (a) 分选和浓缩的sc-SWCNT油墨和PTFE基材上的sc-SWCNT薄膜的光学图像，
(b) 分选和浓缩的sc-SWCNT油墨的UV-vis-NIR吸附光谱，
(c) 油墨2在储存100天后的UV-vis-NIR吸附光谱，吸附峰高为1.8。
使用吸附峰高度为（d）0.3、（e）1.8、（f）3.8和（g）1.8的sc-SWCNT油墨在PVP改性的PET基材上进行R2R凹版印刷SWCNT薄膜的SEM图像，存放30天后。
图2. sc-SWCNT薄膜在（a）Al，（b）PET和（c）没有c-PVP改性层的纸基上的SEM图像，以及（d）Al，（e）PET和（f）经过R2R印刷10次的c-PVP改性的纸基。插图是通过R2R凹版印刷对c-PVP薄膜进行改性前后的Al、PET和纸质基材的水接触角。
图3. PET衬底上8 cm×14 cm sc SWCNT薄膜不同区域中sc SWCNT网络的SEM图像。
图4. R2R凹版印刷SWCNT薄膜的SEM图像，使用吸附峰高度为1.8的sc SWCNT油墨，具有不同的印刷时间
图5. （a）PET和（b）纸基板上的器件通道中完全印刷的SWCNT TFT的光学图像和sc SWCNT薄膜的SEM图像。（c） PET基板上全印刷SWCNT TFT的转移曲线，以及（d）和（e）10 000次弯曲后的机械柔韧性性，曲率半径为5mm（VDS=−0.25 V）。（f） 纸基板上全印刷SWCNT TFT的传输曲线，以及（g）和（h）曲率半径为5 mm的弯曲5000次后的机械柔性财产（VDS=−0.25 V）。（d）中的插图是包裹在曲率半径为5mm的圆柱体上的柔性装置的照片。
图6. （a） 印刷SWCNT TFT的光学和放大光学图像，
（b）印刷底部门控印刷SWCNTTFT的结构，
（c）PET衬底上完全印刷的Ag栅极SWCNTTFT和Al栅极SWCNT TFTs的典型传输特性。
（d） 印刷n型底部门控印刷SWCNT TFT的结构，
（e）VDS分别为−0.25 V和0.25 V的p型和n型SWCNT TFTs的传输特性。
（f） 输入/输出电压曲线，（g）电压增益，（h）噪声容限，以及（i）输入电压为−0.2 V至−1 V的印刷CMOS反相器的功耗。
小结
综上所述，这项工作克服了传统材料和印刷方法的性能、成本、尺寸和效率限制，这可以促进完全印刷低成本、大面积、高输出的发展，以及柔性碳基电子器件。为了满足R2R凹版印刷的需求，我们将重点开发使用高粘度、高极性和低毒性溶剂的可直接图案化sc SWCNT油墨，并优化R2R凹版印工艺。
文献信息：
https://doi.org/10.1039/D2NR07209B
来源：材料分析与应用
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