北京大学张敏课题组AFM:仅经过范德华打仗也能完成高功能柔性晶体管

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▲第一作者:张艺明 


通讯作者:张敏 

通讯单元:北京大学深圳研讨生院 

论文DOI:10.1002/adfm.202205111




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全文速览


该研讨展现了范德华工程及低维全碳基布局在完成高功能电子器件方面的上风,完成了具有优秀电学和机器功能的柔性电子器件,并研讨了此中的电荷转移机制。

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配景介绍


比年来,柔性电子因其在可穿着安康监测、软性呆板人电子皮肤、人机界面等新兴使用范畴中的宏大潜力而惹起了学者们的研讨兴味。有别于传统电子,柔性电子具有分量轻、体薄、保形性高、情况顺应性强、功效可扩展性和本钱效益等诸多上风。但是,柔性电子同时也面对着质料的自限性制备、折衷的机器柔韧性和因而招致的亟需进步的电学功能等应战。

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研讨初始点[chū shǐ diǎn]


关于柔性电子的中心器件-高功能晶体管而言,完成所有本征柔性功效层的集成尤为要害和具有应战性,必要无损且轻便的制造工艺。针对该题目,由于范德华质料自己的无悬挂键上风和质料间可疏忽的界面态圈套效应,范德华工程表现出了突出的上风。低维碳基质料是自然的范德华质料,具有优秀的电学和机器功能。因而,充实使用范德华工程的上风,联合碳基系统的半导体、金属和绝缘质料,构建晶圆级柔性全碳基晶体管,关于推进柔性电子技能具有宽广的使用远景。
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图文剖析

 
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▲图1. 全碳基晶体管表示图和表征。

要点:
1. 该研讨提出并经过混淆维度范德华工程制备了晶圆级柔性全碳基晶体管。此中,一维半导体型碳纳米管(S-CNTs)作为沟道,一维金属型碳纳米管(M-CNTs)作为源/漏/栅电极,二维氧化石墨烯(GO)作为栅介电层。
2. 全碳基晶体管各功效层之间仅存在范德华打仗,次要包罗金属/半导体布局和金属/氧化物/半导体布局。
3. 图 1b表现了晶体管阵列的SEM图像。插图表现了晶圆级晶体管阵列在手指上的形状顺应性和保形粘附特点,标明其在大范围消费和通明可穿着电子使用方面的潜力。

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▲图2. 全碳基晶体管的电学特征。

要点:
1. 本文起首研讨了全碳基晶体管的电学功能。晶体管展示出了突出的载流子传输特征,场效应迁徙率最高可达313.8 cm2 V-1 s-1,这次要归因于碳基质料优秀的电学功能,以及高质量的范德华打仗界面,其可以克制载流子传输历程中界面缺陷惹起的散射效应。
2. 图2 h中,晶体管的亚阈值摆幅可低至51.8 mV dec-1。打破热离子极限的亚阈值摆幅特征次要归因于电子在源真个隧穿效应,这有助于电子穿过势垒。M-CNT源极的小能隙也有助于进一步低落SS,此中间隙堵截了亚阈值地区电流的热尾奉献。
3. 别的,全碳基晶体管简直没有回滞窗口,这次要是由于1)范德华工程尽大概制止了整个器件的界面态密度;2)无等离子刻蚀和负压抽滤技能确保质料布局不会发生分外毁伤,层直接触也愈加致密。

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▲图3. GO的电荷转移调制效应。

要点:
1. 实际上,GO外表丰厚的含氧官能团不但付与了其具有竞争力的绝缘功能,并且还带来了较高的电负性,使其在多质料复合系统中具有较强的电荷转移调制才能。
2. 关于低维质料而言,异质原子晶格掺杂办法容易形成布局缺陷,构成载流子散命中心,从而招致载流子迁徙率低落。相比之下,外表电荷转移掺杂技能使用取得和得到电子的才能将电荷转移到半导体,对半导体载流子迁徙率的影响很小。
3. 受水氧空穴的调制,CNT晶体管在大气情况中自然地体现出空穴型传输特征。GO的电荷转移调制才能将进一步增长S-CNT的载流子密度,这是除范德华工程上风之外,完成晶体管高迁徙率的另一个要害要素。本文进一步经过密度泛函实际盘算、Raman表征和晶体管级比较实行辨别从实际、质料和实行验证了GO关于S-CNT的电荷转移调制特征。

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▲图4. 全碳基晶体管的机器柔性表征。

要点:
1. 紧接着,本文研讨了全碳基晶体管的柔性功能。晶体管在曲率半径小至250 μm的条件下弯折后,电学特征简直没有改动。
2. 在曲率半径为500 μm的条件下弯折10000次后,电学功能也简直没有产生衰减。
3. 全碳基晶体管优秀的机器柔韧性次要归因于:
1)原子级薄的碳基质料具有本征的柔韧性;
2)交织的CNT网络在弯折时不会断裂,而是交织开; 
3)堆叠的片状GO层在弯曲历程中开释了应力;
4)联合力较弱的低维全范德华晶体管由于层间位错挪动而面对较小的应力。

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▲图5. 温度传感器和反相器观点演示。

要点:
1. 受热复原反响的影响,GO的官能团会随着温度的降低而渐渐剖析,这个风趣的征象可使用于温度传感器中。与将温度敏感质料集成到一个独立的晶体管相比,同时利用GO作为介电层和温度传感层低落了工艺庞大性、集成和兼容难度。
2. 同时,一个可行的电子体系不但必要传感单位,还必要根本的逻辑单位。因而,本文辨别经过完成温度传感器观点和反相器模块展示了全碳基晶体管作为全范德华柔性电子构建底子模块的可行性。

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总结与瞻望


范德华工程的界面态上风和碳基质料的优秀功能使全碳基晶体管同时具有突出的电学和机器功能。该晶体管的亚阈值摆幅最低可至51.8 mV dec-1,打破了传统器件的玻尔兹曼热力学极限。同时,该晶体管的最高迁徙率可高达313.8 cm2 V-1 s-1,具有高载流子传输速率、小回滞和低事情电压等上风。经过密度泛函实际盘算和电学表征,该事情进一步证明了GO对S-CNT的电荷转移调制效应,该效应加强了S-CNT的沟道电导。别的,晶体管在250 μm的超小半径弯折后仍坚持波动的电学特征。基于该器件布局,该事情还完成了指数级敏捷度的温度传感器观点和反相器模块,展示了该晶体管作为全范德华柔性电子构建底子模块的可行性。无论是全范德华晶体管完成战略照旧电荷转移机制,都为进步器件功能和进一步推进柔性电子开展提供了通用办法。

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课题组介绍


该事情为北京大学深圳研讨生院信息工程学院独立完成,张敏副传授为论文通讯作者,2019级硕士生张艺明为论文的第一作者,硕士生刘品德、黄秋月、任沁琦、范凌冲、杜春晖以及张盛东传授也在事情中做出了紧张奉献。上述研讨失掉了国度天然迷信基金项目、深圳市科技创新委员会项目标支持。
张敏,北京大学深圳研讨生院信息工程学院副传授,博士生导师,深圳市外洋高条理人才“孔雀方案”B类人才,薄膜晶体管与先辈表现实行室副主任。国际电气与电子工程师学会IEEE初级会员,国际信息表现学会SID会员,多个国际着名学术期刊审稿人。香港科技大学电子及盘算机工程学系博士,西安交通大学微电子系硕士及学士。2006年博士结业参加香港半导体业界从事集成电路先辈器件的设计开辟;2012年参加北京大学信息工程学院。作为项目掌管人承当和完成国度天然迷信基金、深圳市科创委创新创业专项、底子研讨结构项目等10余项。已宣布学术论文120余篇,专利受权14项。屡次受邀担当国际集会组委、分会场主席和约请陈诉。
现在次要研讨课题包罗:柔性与可拉伸电子、类神经突触器件、碳基纳米电子、生物电子集成、可穿着器件、先辈表现。以上偏向接待良好博士后参加!。

张敏副传授简介:
https://www.ece.pku.edu.cn/info/1076/2468.htm

张敏副传授课题组:
http://web.pkusz.edu.cn/nel




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