米级碳纳米管薄膜制备及全透明薄膜晶体管器件

发布时间：2020-06-17 17:59

【摘要】：单壁碳纳米管具有优异的电学、力学和光学性质,被认为是用于柔性和透明电子器件的理想候选材料之一。碳纳米管薄膜既可以作为优异的透明电极材料,又可作为高性能的半导体沟道材料。实现高质量碳纳米管薄膜的高效、宏量制备,己成为碳纳米管在柔性电子器件领域获得实际应用的关键瓶颈。通常,制得单壁碳纳米管薄膜的尺寸仅为厘米量级,制备方式也不能满足规模化的应用需求;同时,己有碳纳米管薄膜制备过程通常会引入杂质和结构缺陷,使得薄膜的光电性能远低于理论预测值。本论文提出了一种高质量碳纳米管薄膜的连续合成、沉积和转移方法,首次实现了米级、高性能单壁碳纳米管薄膜的连续制备,展现了单壁碳纳米管薄膜在大面积、柔性和透明电子器件中的应用。(1)提出了一种基于气相抽滤方式连续沉积碳纳米管的方法,实现了米级、均匀、密度可控的碳纳米管薄膜在室温和常压下的连续制备。单壁碳纳米管通过浮动催化剂化学气相沉积法连续合成,通过气相抽滤系统实现碳纳米管薄膜的沉积。流体仿真结果表明,当调节出气口速度使抽滤过程处于平衡时,该抽滤系统中的气流呈现出均匀的气流速度分布,实现碳纳米管到微孔滤膜表面的均匀沉积。碳纳米管薄膜通过卷对卷技术转移到柔性衬底上,首次获得了宽度为0.5米、长度不受限的单壁碳纳米管薄膜。(2)单壁碳纳米管薄膜表现出优异的光电性能和均匀性,在550纳米波长下其透光率为90%,方块电阻为65 Ω/□,对应透光率和方块电阻的相对标准偏差数值分别为0.3%和7.4%。(3)通过调控碳纳米管薄膜的密度,构筑了高性能碳纳米管薄膜晶体管,载流子迁移率达76cm2V-1S-1,电流开关比大于106。利用不同密度的碳纳米管薄膜作为柔性电极和互连线材料以及半导体沟道材料,在柔性基板上制备了大面积、高性能全碳柔性透明薄膜晶体管及集成电路,包括反相器、与非门、或非门、异或门、环形振荡器和有源矩阵有机发光二极管等显示驱动电路,展现了碳纳米管薄膜在大面积柔性透明电子器件中广阔的应用前景。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.2
【图文】：

手性,石墨,能量色散关系,卷曲形

其中＋号表示由反键７１＊轨道形成的导带能量色散关系，－号表示由成键７１轨道逡逑形成的价带能量色散关系。７是最近邻跳跃参数，一般取值为３．１邋ｅＶ。ａ为石墨逡逑烯的晶格常数，ａ邋＝邋２．４６Ａ。在倒易空间中石墨烯的能量色散关系如图１．２所示，逡逑石墨烯的价带与导带在六边形布里渊区的顶点位置处（Ｋ点）相交，因此在该位逡逑置石墨烯的能带带隙值为０。从石墨烯的能量色散关系中可得到，在费米能级位逡逑置处石墨烯的态密度为０，因此石墨烯也被称为半金属材料逡逑９逡逑

紧束缚模型,能带结构,最近邻,石墨

的取值只能是分立的数值。一维单壁碳纳米管的能带结构是由一系列分立的ｋ＿逡逑所在的垂直平面与二维石墨烯能量色散曲面的相交横截面组成，每一个相交横截逡逑面对应着单壁碳纳米管能级中的一条子带（图１．３ａ）。单壁碳纳米管的费米能级逡逑位于Ｋ点所在的水平面，而载流子的输运性质是与最靠近费米能级位置处的能逡逑带相关，因此当相交横截面恰好通过Ｋ点位置时（图１．３ｂ），单壁碳纳米管能量逡逑色散关系显示出两条相交于Ｋ点的线性子带，单壁碳纳米管的导带与价带在费逡逑米能级处相交，表现出零带隙。当相交横截面未通过Ｋ点时（图１．３ｃ），单壁碳逡逑纳米管表现两条抛物线状能量色散关系，单壁碳纳米管的导带与价带之间存在能逡逑３逡逑

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