可延展石墨烯电子器件的力学设计与分析

发布时间：2017-12-07 10:10

  本文关键词：可延展石墨烯电子器件的力学设计与分析

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【摘要】：随着Si基晶体管尺寸的持续减小,电子芯片的速度和集成度在过去的52年间以摩尔定律为准则得到了飞速发展。但这些传统电子器件一般都是基于平面CMOS工艺在刚性电路板上制作出来的,这限制了电子器件在一些非平面工作环境的应用,如人体表皮实时健康监测。因此,基于无机材料的柔性电子学(也称为"宏电子学")应用而生。但硅等块体无机材料本身的脆性、较厚等属性会导致其柔性器件商业化应用中的高成本、低效率。二维材料是一类具有原子级厚度的层状晶体,层内通过共价键相连,而层间通过范德瓦尔斯(vdW)力键合,代表了固体实现最大光学透明度、最佳静电控制、机械柔性以及化学传感灵敏度的理想情形。同时二维材料拥有超强的输运(电荷、自旋、光、热)以及无界面悬挂键等多种优秀性质,使其在新型柔性纳米电子学领域受到广泛研究。其中,石墨烯具有最快的电子输运、最高的载流子迁移率,以及超强的力学性能而在透明柔性可延展电子器件的应用中相较于硅有很大的优势。我们系统地研究了 CVD石墨烯的生长、转移以及柔性器件制备,并针对其可延展电子器件进行力学设计与分析。主要研究内容如下:1.通过化学气相沉积(CVD)的方法在铜箔上生长了最大单晶达1.3mm,平均晶畴600μm以上、界面粗糙度4nm以下的多晶石墨烯薄膜,并分析了转移在柔性衬底和二氧化硅等刚性衬底上CVD石墨烯电学性能的差异。然后,提出了一种基于PDMS本身属性的"浇筑"方法,可转移图形化的石墨烯及其柔性器件到高度可拉伸的PDMS衬底,同时PDMS上的器件也会"复制"CVD铜箔衬底的表面形貌。最后,测试到PDMS上石墨烯柔性器件的电学与力学性能变差且不稳定,我们强调了PMMA等封装材料在柔性器件中的重要性。2.通过"浇筑"转移工艺制备了 PMMA背面封装的石墨烯/Au蛇形导线,并通过拉伸时导线的变形云图与电阻测量来研究其弹性延展率。首先,通过对石墨烯/550nmPMMA蛇形导线测试,获得了 35%的石墨烯导线弹性延展率,接近41%的理论模拟值。我们认为"浇筑-复制"过程引入的石墨烯表面褶皱(crumpling)会使石墨烯的力学性能进一步降低,使得石墨烯导线提前发生弹性-塑性转变(产生裂纹);而对于100nmAu/550nmPMMA蛇形导线,在拉伸率接近50%的时,导线的导电性依旧可以保持不变,远大于14%的理论模拟弹性延展率,原因是塑性变形区的金属导线只有经过成千上万此应力加载-卸载的疲劳测试后才会发生断裂;而对20nmAu/550nmPMMA进行拉伸,具有7.4%的理论模拟弹性延展率,结果在25%拉伸率下Au导线就发生断裂,表明石墨烯断裂应变已优于该厚度的Au。最后,设计并制备出一种可用于电子皮肤的CVD石墨烯分形结构导线。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O613.71;TN702

【参考文献】

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1 冯雪;陆炳卫;吴坚;林媛;宋吉舟;宋国锋;黄永刚;;可延展柔性无机微纳电子器件原理与研究进展[J];物理学报;2014年01期

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本文编号：1262018