理化所和清華大學：基于液態金屬建立室溫打印柔性薄膜晶體管及集成電路新方法

【引言】

現代社會信息技術高速發展，一代又一代集成電路芯片不斷突破，向著更高性能、更廉價的方向發展，使得電子產品在各行各業中扮演著舉足輕重的作用。晶體管是電子器件中的核心元件之一，場效應晶體管是一種三端的有源固體電子器件，它可以通過改變施加于柵極的電流或電壓從而達到調控源漏級之間電流電壓的目的，是電路中最基本的邏輯單元之一。現如今，晶體管無處不在，Pad或其他電子產品處理器中已集成數以百萬甚至數以億計的晶體管。但是現代電子技術是建立在硅(Si)、鍺(Ge)及砷化嫁(GaAs)等無機半導體材料的基礎上，部分低端應用以非晶硅(a-Si)、多晶硅(p-Si)材料為基礎。這些器件的制備一般采用半導體技術及光刻工藝，工藝十分復雜，制作成本昂貴，對環境要求苛刻，不適宜大面積生產。此外，傳統的硅基電子缺乏柔性，無法滿足日益增長的便捷和柔性的需求。柔性電子可彎曲、拉伸、折疊，且輕量化、制作成本低，在信息、能源、醫療、國防領域有著廣泛的應用前景。在眾多的電子加工方法中，打印電子技術在大面積、柔性化、個性化、低成本制造電子等方面具有無可比擬的優勢。印刷柔性晶體管對于大規模和低成本的電子產品具有巨大的潛力。

近年來引發國際廣泛重視的液態金屬印刷電子學為此提供了諸多可能，新型功能材料-液態金屬是在常溫常壓下保持液態的一類合金，具有許多常規材料不易擁有的獨特屬性，蘊藏著諸多以往從未被認識的新奇物理特性。當前圍繞室溫液態金屬的基礎及應用研究已成為國際熱門的重大科技前沿，正為電子信息、高新能源、先進制造、國防軍事以及生物醫療健康技術等領域的發展帶來顛覆性變革，并開辟出多個十分重要的新興方向。液態金屬具有優異的導電性及穩定性，相應電子器件可以直接打印并應用于各種非常規及柔性基板上，不僅克服了傳統電子器件制作工藝復雜、成本昂貴、要求苛刻、缺乏柔性等弊端，而且能有效發揮柔性器件可彎曲、拉伸、折疊，且輕量化、大面積、個性化、低成本制造電子器件等方面的優勢。因此液態金屬電子器件被認為是柔性全打印集成電路的最有前途及巨大潛力的候選者，必將引領和推進柔性功能器件領域的重大進展。然而，要發展真正基于液態金屬的高性能柔性印刷集成電路，首先應在柔性基板上實現基于液態金屬與半導體相結合的薄膜晶體管(TFT)單元器件。

【成果簡介】

近日，來自中國科學院理化技術研究所與清華大學的聯合團隊報道了這一領域的最新進展，首次嘗試在柔性基板上直接打印制備出了性能優異且穩定的大面積液態金屬-碳納米管晶體管陣列，實現了液態金屬墨水與具有優異電學性能及良好電子傳輸特性的碳納米管墨水的聯合打印。作者在這個領域構建了世界第一個基于液態金屬打印的柔性p型晶體管器件； 此外，為了與傳統電路設計兼容、降低靜態功耗并提高電路噪聲容限，作者還通過印刷不同種類的液態金屬源漏電極，在柔性基板上同時實現了第一個基于液態金屬的n型和雙極性晶體管，且兩種晶體管均具有與p型器件相媲美的優異性能，打破了目前常溫下在環境條件中n型晶體管難以穩定實現的桎梏。尤為突出的是，所有導電類型的晶體管均具有優異的可彎折性及時間穩定性。從這種意義上講，該成果為進一步構建基于液態金屬的大面積印刷集成電路及功能器件奠定了堅實的基礎。此項全打印大面積液態金屬柔性薄膜晶體管器件的工作，以題為 “Printed Flexible Thin-Film Transistors based on Different Types of Modified Liquid Metal with Good Mobility” 發表在SCIENCE CHINA Information Sciences上（doi: 10.1007/s11432-019-9918-4）。論文第一作者為中科院理化所博士后李倩，共同第一作者為清華大學博士生林聚，通訊作者為中科院理化所研究員及清華大學教授劉靜。在整個研發過程中，北京夢之墨科技有限公司給與了大力的協助。

【圖文導讀】

Figure 1. 不同種類的摻雜和改性液態金屬。

(a) 純EGaIn和改性后的七種液態金屬形貌（分別命名為LM-1~LM-7）；

(b) 打印的金屬LM-1的能譜表征；

(c) 打印的LM-1，LM-2，LM-3金屬元素分布表征；

(d) 液態金屬與其他彈性導電材料的對比。

Figure 2. 在柔性基底上打印的大面積液態金屬-碳納米管晶體管陣列。

(a) 柔性晶體管單元器件的結構圖；

(b)，（c）全打印晶體管陣列；

(d) 溝道區域長度為50 μm。

Figure 3. 基于不同改性液態金屬電極的晶體管電學性能。

(a) ~(c) 液態金屬LM-1，LM-2，LM-3晶體管的傳輸特性；

(d) 七種改性金屬與碳納米管的接觸電阻；

(e) 液態金屬晶體管與其他電極晶體管的性能對比。

Figure 4. 基于七種液態金屬的晶體管器件的輸出特性。(LM-1~LM-7)

Figure 5. 液態金屬晶體管器件的穩定性。

(a)–(b) 開關比和場效應遷移率隨彎折次數的變化；

(c)-(d) 開關比和場效應遷移率隨時間的變化。

七種金屬電極晶體管器件均展示出優異的穩定性。

Figure 6 液態金屬晶體管器件的均一性。基于七種金屬電極的晶體管均展示出優異的性能均一性。

【小結】

論文首次展示了基于液態金屬的大面積印刷柔性晶體管，其中采用七種摻雜改性的液態金屬和碳納米管分別作為器件的電極和半導體溝道，所構建的p型柔性晶體管顯示出良好的載流子遷移率（10.61 cm ²?V^?1?s^?1），優異的可彎折性和時間穩定性。此外，此項工作利用不同的金屬電極在環境條件下實現了穩定的n型和雙極型晶體管。值得注意的是，所獲得三種類型晶體管均顯示出優異且穩定的電學性能，其中n型器件具有與p型匹配良好的電學特性針，為進一步構建在大面積柔性集成系統中最受歡迎的低功耗CMOS邏輯電路奠定了關鍵基石。這一開拓性成果將催生柔性功能器件制造技術，為構建具有中等規模的芯片級性能優異且穩定的柔性液態金屬集成電路，以及進一步研發高度靈活性、智能性和可控性的柔性功能電子電路打下堅實的基礎。

【文獻鏈接】

Printed Flexible Thin-Film Transistors based on Different Types of Modified Liquid Metal with Good Mobility”（doi: 10.1007/s11432-019-9918-4）http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11432-019-9918-4

本文由中國科學院理化技術研究所與清華大學的聯合團隊供稿。

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