[論文レビュー] Ink-Jet Printed Graphene Electronics

F. Torrisi, T. Hasan+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2011

Graphene research and applications被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、N-メチルピロリドン（NMP）中でのグラファイトの液体相剥離から得られるグラフェンインクのインクジェット印刷を示しており、高移動度薄膜トランジスタ（最大約95 cm² V⁻¹ s⁻¹）および約80%透過率、約30 kΩ/□のシート抵抗を有する透明で導電性のパターンを実現している。この手法により、任意の基板上にすべてインクジェット印刷された柔軟で透明なグラフェンエレクトロニクスが可能になる。

ABSTRACT

We demonstrate ink-jet printing as a viable method for large area fabrication of graphene devices. We produce a graphene-based ink by liquid phase exfoliation of graphite in N-Methylpyrrolidone. We use it to print thin-film transistors, with mobilities up to~95cm^2V^(-1)s(-1), as well as transparent and conductive patterns, with~80 % transmittance and~30kOhm/sq sheet resistance. This paves the way to all-printed, flexible and transparent graphene devices on arbitrary substrates

研究の動機と目的

• インクジェット印刷を用いて、スケーラブルで低コストな方法で、柔軟で透明なグラフェンベースのエレクトロニクスデバイスを製造するための手法を開発すること。
• 複雑なリソグラフィー工程や低移動度の有機半導体に依存する従来の柔軟エレクトロニクスの限界を克服すること。
• 任意の基板上に、すべてインクジェット印刷された高機能なグラフェントランジスタおよび透明導電電極を実現すること。
• グラフェンインクと有機半導体ポリマー（例：PQT-12）の統合を調査し、印刷されたフィールド効果トランジスタにおける電荷輸送を向上させること。
• グラフェンインクが大面積、低温、高性能な印刷エレクトロニクスに実用可能であることを実証すること。

提案手法

• グラフェンインクは、N-メチルピロリドン（NMP）中でのグラファイトの液体相剥離により生成され、数層のグラフェンフラケツが安定に分散された状態を実現した。
• インクジェット印刷を用いて、Si/SiO₂や柔軟性のあるプラスチックなど、さまざまな基板上にグラフェン膜を堆積させ、後続焼鈍し処理を一切行わなかった。
• クロム/金のソースおよびドレイン電極を用いたボトムゲート・ボトムコンタクト構造の薄膜トランジスタ（TFT）を製作した。
• デバイスの移動度は、次式を用いて転写特性から抽出された：μ = (L / (W × Cᵢ × V_d)) × (dI_d / dV_g)，ここで Cᵢ ≈ 10 nF/cm² である。
• グラフェンインクと有機半導体PQT-12を組み合わせ、PQT-12をグラフェンチャネル上にインクジェット印刷することで、チャネル間の電荷輸送を向上させた。
• 電気的特性評価は室温・大気中条件下で実施し、さまざまなゲートおよびドレイン電圧における転写特性および出力特性を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体相剥離で得られたグラフェンは、柔軟で透明な基板上にインクジェット印刷可能な安定したインクとして調製可能か？
• RQ2 大気中条件下でインクジェット印刷されたグラフェン薄膜トランジスタが達成可能な最大のフィールド効果移動度は何か？
• RQ3 PQT-12などの有機半導体とグラフェンを統合することで、純粋な有機半導体と比較して印刷トランジスタの電荷輸送が顕著に向上するか？
• RQ4 グラフェンインクで作製された印刷トランジスタの性能は、カーボンナノチューブ（CNTs）、フルルラニド、還元グラフェン酸化物（RGO）などの他の印刷半導体技術と比較して、移動度およびオン/オフ比の観点でどのように差がつくか？
• RQ5 グラフェンインクは、すべてインクジェット印刷された柔軟で透明なエレクトロニクスシステムにおいて、従来の金属または半導体インクをどれほど代替可能か？

主な発見

• インクジェット印刷されたグラフェン薄膜トランジスタは、室温で最大約95 cm² V⁻¹ s⁻¹のフィールド効果移動度を達成し、以前に報告されたインクジェット印刷された有機半導体およびCNTベースのTFTを著しく上回った。
• 生成されたグラフェンインクは、約80%の光学透過率と約30 kΩ/□のシート抵抗を有する透明で導電性のパターンを形成でき、透明電極応用に適していた。
• PQT-12有機半導体と組み合わせた場合、グラフェン/PQT-12 TFTは約0.17 cm² V⁻¹ s⁻¹の移動度と約4 × 10⁵のオン/オフ比を示し、同等のCNT/PQT-12および純粋なPQT-12 TFTを上回った。
• グラフェンのみのTFTの移動度は、同等のオン/オフ比におけるインクジェット印刷フルルラニドベースTFTと比較して約4桁、CNTと比較しても2桁以上高い。
• 室温で約10のオン/オフ比を示すグラフェンのみのTFTは、高性能RGOベースデバイスと同等の性能を示すが、はるかに高い移動度を達成した。
• 本手法により、高温後処理を要せず、任意の基板上にすべてインクジェット印刷された柔軟で透明なグラフェンエレクトロニクスが実現可能である。