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Flexible, Print-in-Place 1D-2D Thin-Film Transistors Using Aerosol Jet Printing.
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2019-10-03 , DOI: 10.1021/acsnano.9b04337 Shiheng Lu 1 , Jorge A Cardenas 1 , Robyn Worsley 2 , Nicholas X Williams 1 , Joseph B Andrews 1 , Cinzia Casiraghi 2 , Aaron D Franklin 1, 3
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2019-10-03 , DOI: 10.1021/acsnano.9b04337 Shiheng Lu 1 , Jorge A Cardenas 1 , Robyn Worsley 2 , Nicholas X Williams 1 , Joseph B Andrews 1 , Cinzia Casiraghi 2 , Aaron D Franklin 1, 3
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Semiconducting carbon nanotubes (CNTs) printed into thin films offer high electrical performance, significant mechanical stability, and compatibility with low-temperature processing. Yet, the implementation of low-temperature printed devices, such as CNT thin-film transistors (CNT-TFTs), has been hindered by relatively high process temperature requirements imposed by other device layers-dielectrics and contacts. In this work, we overcome temperature constraints and demonstrate 1D-2D thin-film transistors (1D-2D TFTs) in a low-temperature (maximum exposure ≤80 °C) full print-in-place process (i.e., no substrate removal from printer throughout the entire process) using an aerosol jet printer. Semiconducting 1D CNT channels are used with a 2D hexagonal boron nitride (h-BN) gate dielectric and traces of silver nanowires as the conductive electrodes, all deposited using the same printer. The aerosol jet-printed 2D h-BN films were realized via proper ink formulation, such as utilizing the binder hydroxypropyl methylcellulose, which suppresses redispersion between adjacent printed layers. In addition to an ON/OFF current ratio up to 3.5 × 105, channel mobility up to 10.7 cm2·V-1·s-1, and low gate hysteresis, 1D-2D TFTs exhibit extraordinary mechanical stability under bending due to the nanoscale network structure of each layer, with minimal changes in performance after 1000 bending test cycles at 2.1% strain. It is also confirmed that none of the device layers require high-temperature treatment to realize optimal performance. These findings provide an attractive approach toward a cost-effective, direct-write realization of electronics.
中文翻译：
使用气溶胶喷射印刷的灵活的就地印刷1D-2D薄膜晶体管。
印刷到薄膜中的半导体碳纳米管（CNT）具有高电性能，显着的机械稳定性以及与低温处理的兼容性。然而，诸如CNT薄膜晶体管（CNT-TFT）之类的低温印刷设备的实施已经受到其他设备层-电介质和接触所施加的相对较高的过程温度要求的阻碍。在这项工作中，我们克服了温度限制，并演示了在低温（最大暴露量≤80°C）的完整原位印刷工艺（即没有从中移除基板）下的1D-2D薄膜晶体管（1D-2D TFT）整个过程中使用打印机）。半导电1D CNT通道与2D六边形六方氮化硼（h-BN）栅极电介质和银纳米线的痕迹一起用作导电电极，全部使用同一台打印机存放。气溶胶喷射印刷的2D h-BN薄膜是通过适当的油墨配方实现的，例如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素，该粘合剂可抑制相邻印刷层之间的再分散。1D-2D TFT除了具有高达3.5×105的开/关电流比，高达10.7 cm2·V-1·s-1的沟道迁移率以及低栅极滞后性之外，还具有由于纳米级网络而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性。每层的结构，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化最小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。气溶胶喷射印刷的2D h-BN薄膜是通过适当的油墨配方实现的，例如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素，该粘合剂可抑制相邻印刷层之间的再分散。1D-2D TFT除了具有高达3.5×105的开/关电流比，高达10.7 cm2·V-1·s-1的沟道迁移率以及低栅极滞后性之外，还具有由于纳米级网络而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性。每层的结构，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化最小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。气溶胶喷射印刷的2D h-BN薄膜是通过适当的油墨配方实现的，例如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素来抑制相邻印刷层之间的再分散。1D-2D TFT除了具有高达3.5×105的开/关电流比，高达10.7 cm2·V-1·s-1的沟道迁移率以及低栅极滞后性之外，还具有由于纳米级网络而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性。每层的结构，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化最小。还证实了所有器件层都不需要高温处理即可实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。例如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素抑制相邻印刷层之间的再分散。1D-2D TFT除了具有高达3.5×105的开/关电流比，高达10.7 cm2·V-1·s-1的沟道迁移率以及低栅极滞后性之外，还具有由于纳米级网络而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性。每层的结构，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化最小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。例如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素抑制相邻印刷层之间的再分散。1D-2D TFT除了具有高达3.5×105的开/关电流比，高达10.7 cm2·V-1·s-1的沟道迁移率以及低栅极滞后性之外，还具有由于纳米级网络而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性。每层的结构，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化最小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。由于具有低栅极滞后性，1D-2D TFT由于每一层的纳米级网络结构而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化极小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。由于具有低栅极滞后性，1D-2D TFT由于每一层的纳米级网络结构而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化极小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。
更新日期：2019-10-03
中文翻译：
使用气溶胶喷射印刷的灵活的就地印刷1D-2D薄膜晶体管。
印刷到薄膜中的半导体碳纳米管（CNT）具有高电性能，显着的机械稳定性以及与低温处理的兼容性。然而，诸如CNT薄膜晶体管（CNT-TFT）之类的低温印刷设备的实施已经受到其他设备层-电介质和接触所施加的相对较高的过程温度要求的阻碍。在这项工作中，我们克服了温度限制，并演示了在低温（最大暴露量≤80°C）的完整原位印刷工艺（即没有从中移除基板）下的1D-2D薄膜晶体管（1D-2D TFT）整个过程中使用打印机）。半导电1D CNT通道与2D六边形六方氮化硼（h-BN）栅极电介质和银纳米线的痕迹一起用作导电电极，全部使用同一台打印机存放。气溶胶喷射印刷的2D h-BN薄膜是通过适当的油墨配方实现的，例如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素，该粘合剂可抑制相邻印刷层之间的再分散。1D-2D TFT除了具有高达3.5×105的开/关电流比，高达10.7 cm2·V-1·s-1的沟道迁移率以及低栅极滞后性之外，还具有由于纳米级网络而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性。每层的结构，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化最小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。气溶胶喷射印刷的2D h-BN薄膜是通过适当的油墨配方实现的，例如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素，该粘合剂可抑制相邻印刷层之间的再分散。1D-2D TFT除了具有高达3.5×105的开/关电流比，高达10.7 cm2·V-1·s-1的沟道迁移率以及低栅极滞后性之外，还具有由于纳米级网络而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性。每层的结构，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化最小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。气溶胶喷射印刷的2D h-BN薄膜是通过适当的油墨配方实现的，例如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素来抑制相邻印刷层之间的再分散。1D-2D TFT除了具有高达3.5×105的开/关电流比，高达10.7 cm2·V-1·s-1的沟道迁移率以及低栅极滞后性之外，还具有由于纳米级网络而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性。每层的结构，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化最小。还证实了所有器件层都不需要高温处理即可实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。例如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素抑制相邻印刷层之间的再分散。1D-2D TFT除了具有高达3.5×105的开/关电流比，高达10.7 cm2·V-1·s-1的沟道迁移率以及低栅极滞后性之外，还具有由于纳米级网络而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性。每层的结构，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化最小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。例如利用粘合剂羟丙基甲基纤维素抑制相邻印刷层之间的再分散。1D-2D TFT除了具有高达3.5×105的开/关电流比，高达10.7 cm2·V-1·s-1的沟道迁移率以及低栅极滞后性之外，还具有由于纳米级网络而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性。每层的结构，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化最小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。由于具有低栅极滞后性，1D-2D TFT由于每一层的纳米级网络结构而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化极小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。由于具有低栅极滞后性，1D-2D TFT由于每一层的纳米级网络结构而在弯曲下表现出非凡的机械稳定性，在2.1％应变下经过1000次弯曲测试循环后，性能变化极小。还证实了，没有器件层都需要高温处理以实现最佳性能。这些发现提供了一种有吸引力的方法，可实现具有成本效益的直接写入电子产品。
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