[论文解读] Ink-Jet Printed Graphene Electronics

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

Graphene research and applications被引用 31

一句话总结

本文展示了通过在N-甲基吡咯烷酮中进行液相剥离石墨制备的石墨烯油墨的喷墨打印，实现了高场效应迁移率的薄膜晶体管（最高约95 cm² V⁻¹ s⁻¹），以及透光率约80%、方阻约30 kΩ/□的透明导电图案。该方法实现了在任意基底上全打印、柔性且透明的石墨烯电子器件。

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

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、低成本的方法，用于通过喷墨打印技术制造柔性且透明的石墨烯基电子器件。
• 克服传统柔性电子器件依赖复杂光刻工艺或低迁移率有机半导体的局限性。
• 实现在任意基底上全打印、高性能的石墨烯晶体管和透明导电电极。
• 研究石墨烯油墨与有机半导体聚合物（如PQT-12）的集成，以增强印刷场效应晶体管中的电荷传输性能。
• 展示石墨烯油墨在大面积、低温、高性能印刷电子器件中的可行性。

提出的方法

• 通过在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中对石墨进行液相剥离，制备了石墨烯油墨，实现了少层石墨烯鳞片的稳定分散。
• 采用喷墨打印技术在各种基底（包括Si/SiO₂和柔性塑料）上沉积石墨烯薄膜，无需后续退火处理。
• 采用底栅底接触结构制备薄膜晶体管（TFTs），源极和漏极电极采用Cr/Au材料。
• 通过转移特性曲线提取器件迁移率，使用公式：μ = (L / (W × Cᵢ × V_d)) × (dI_d / dV_g)，其中Cᵢ ≈ 10 nF/cm²。
• 将石墨烯油墨与有机半导体PQT-12结合，通过喷墨打印在石墨烯沟道上层沉积PQT-12，以增强链间电荷传输。
• 在室温、空气环境下进行电学表征，测量不同栅压和漏压下的转移特性和输出特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 液相剥离制备的石墨烯是否可被配制成稳定、可打印的油墨，适用于柔性且透明基底的喷墨打印？
• RQ2 在室温、空气环境下，喷墨打印石墨烯薄膜晶体管的最大场效应迁移率是多少？
• RQ3 将石墨烯与PQT-12等有机半导体集成，是否能显著提升印刷晶体管中的电荷传输性能，相比纯有机半导体？
• RQ4 在迁移率和开关比方面，喷墨打印石墨烯TFT的性能与其它印刷半导体技术（如碳纳米管、富勒烯、还原氧化石墨烯）相比如何？
• RQ5 石墨烯油墨在全打印、柔性且透明电子系统中，能在多大程度上替代传统金属或半导体油墨？

主要发现

• 喷墨打印石墨烯薄膜晶体管在室温下实现了高达约95 cm² V⁻¹ s⁻¹的场效应迁移率，显著优于此前报道的喷墨打印有机半导体和碳纳米管基TFT。
• 所制备的石墨烯油墨可形成透明且导电的图案，透光率约80%，方阻约30 kΩ/□，适用于透明电极应用。
• 当与PQT-12有机半导体结合后，石墨烯/PQT-12 TFT表现出约0.17 cm² V⁻¹ s⁻¹的迁移率和约4 × 10⁵的开/关比，优于相应的碳纳米管/PQT-12和纯PQT-12 TFT。
• 石墨烯基TFT的迁移率比同等开/关比下的喷墨打印富勒烯基TFT高出近四个数量级，且比喷墨打印碳纳米管TFT高出两个多数量级。
• 在室温下，石墨烯基TFT的开/关比约10，与高性能还原氧化石墨烯（RGO）基器件相当，但迁移率显著更高。
• 该方法可在无需高温后处理步骤的情况下，实现在任意基底上的全打印、柔性且透明的石墨烯电子器件。