ACS Nano：可伸縮全碳碳晶體管在可伸縮電子器件應用中限制因素的研究

【引語】

可伸縮特性可使電子設備構成不規則的3D結構，而這些可伸縮器件具備有高表面覆蓋率，耐用性明顯改善和加工成本降低的優點。可伸縮電子設備的實現需要本身具備可伸縮的導體、半導體、電介質以及層間作用的優化。薄膜材料需要克服多相材料間的粘連問題以及層間的模量不匹配等問題。一維（1D）薄膜材料中，具有高長徑比的單壁碳納米管（SWNT）表現出低滲透閾值，因而電導率對應變有較小的依賴性。目前可用于可伸縮晶體管的電介質有離子凝膠電介質、離子極化電介質。這些電介質的厚度與電容量具有不相干性，可簡化電子器件的制備。然而，這些電介質也存在滯緩現象明顯、反應時間慢以及對環境條件敏感等問題。通過采用偶極子濃度極低的電介質如非極性苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯（SEBS）氫化彈性體實現離子傳導最小化和消除滯緩現象。

【成果簡介】

近日，斯坦福大學鮑哲南教授（通訊作者）在ACS Nano發表了“Investigating Limiting Factors in Stretchable All-Carbon Transistors for Reliable Stretchable Electronics” 的文章。研究人員設計和構建了由SWNT半導體電極和非極性彈性體電介質組成的可伸縮晶體管。非極性彈性體電介質的使用可有效改善器件的無滯后特性。與SiO₂介質器件相比，非極性電介質可伸縮器件在環境條件下因沒有摻雜水而表現出較低的移動率。通過使用不同SWNT源作半導體，研究SWNT帶隙對器件特性的影響。大帶隙SWNT表現出由電介質的低電容引起阱缺陷。相比之下，基于較小帶隙的SWNT大電流器件則受到接觸電阻的限制。在所有SWNT測試源中，最大直徑為1.5?nm的SWNT可伸縮晶體管具備最佳性能，其遷移率為15.4?cm²/Vs，開/關比>?10³。大帶隙器件對應力具有更高的靈敏度，且依賴于電介質的厚度；而接觸受限器件則明顯表現出較小的應力依賴性。

【圖文導讀】

圖1 連續轉移法制備電子器件

（a）通過連續轉移法制備電介質為SEBS的電子器件；

（b）通過光刻印刷技術制作SWNT電極器件影像；

（c）溝道區域的SEM圖表明高密度的大帶隙SWNT；

（d）在低電場和相對低電壓條件下，電子器件通道長度為20 μm時的轉移特性曲線（最大E_GS= 7.5 V/μm）；

（e）由PD半導體制備可伸縮晶體管的轉移曲線，V_DS= -10 V,且每個通道的長徑比（W/L）為20，通過使用較低的通道密度優化電子器件，以實現短通道長度的器件具有大開/關比，因此相對后面的圖表現出更低的電流。

圖2 由PD半導體組成全碳SEBS晶體管的重現性統計

電介質為300 nm SiO₂的剛性電子器件的（a）轉移特性曲線和（b）遷移率統計；

電介質為1μm SEBS的可伸縮電子器件的（c）轉移特性曲線，（d）遷移率統計，（e）開/關比，以及（f）閾值電壓。測試結果來自在同一個基底上，對28個電子器件同時進行測試以確定器件間的基底內部差異，?所有電子器件的W/L為400/50 μm。

圖3 SEBS電介質的性能

（a）SEBS彈性體中苯乙烯含量與楊氏模量和滯后的函數關系；

（b）不同厚度SEBS對應的累積擊穿和擊穿場提取；

（c）輪廓儀測量源極和漏極轉移后留在Si襯底上殘留的SWNT，苯乙烯含量降低（伴隨模量降低）促使SWNT源極和漏極的轉移更加完全；

（d）正向和反向掃描表明SWNT器件在等離子體放電源中滯后消失，V_DS為?-30 V。

圖4 不同種類電介質對電子器件性能的影響

（a）全碳晶體管對器件電阻的貢獻曲線圖。黑色線表示金屬SWNT電極，而紅線表示s-SWNT通道；

（b）以通道長度為200?μm，通道寬度為4 mm的電子器件為例，其對應的轉移特性曲線，V_DS為-40?V。通過根據遷移率最接近每種SWNT平均值的電子裝置來選擇單獨的轉移特性曲線；

（c）不同種類s-SWNT的遷移率與開/關比曲線圖。每個點描述一個基底。誤差條表示標準偏差。對于每個SWNT源，通過改變密度和通道長度以得到數據結果；

（d）剛性和可伸縮電子器件的遷移率與SWNT直徑的關系曲線圖；

（e）與剛性器件相比，可伸縮電子器件的相對遷移率。

圖5 環境暴露程度對可伸縮電子器件的影響

（a）環境暴露對RTFTs的影響；

（b）環境暴露對含有SEBS電介質的STFTs的影響；

（c）使用的TLM方法（V_DS=?-0.1?V）的SiO₂電介質上的TFTs進行提取R_C，通道電阻對應的是200?μm通道；

（d）使用TLM方法（V_DS=?-1?V）對SEBS電介質上的可拉伸TFTs進行R_C提取。 通道電阻為200μm通道。

圖6?電介質厚度對可伸縮電子器件的影響

（a）對于不同SWNT來源，歸一化飽和遷移率與不同介電厚度的函數關系；

（b）柵極源在超速場中為恒定值的條件下，I_D是介電厚度的函數，為了不同種類的半導體能提供相似的I_D，含有HiPCO半導體器件的通道長度為200 μm，通道寬度為4000 μm，而含有PD和AD半導體的器件的通道長度為200 μm，通道寬度為400 μm。

圖7?溫度對可伸縮電子器件的影響

（a）在不同測試溫度下，VGS與飽和遷移率的函數關系；移動性被歸一化為最大的值，以更有效地比較曲線的形狀；

（b）指數γ是1000/T的函數；

（c）不同溫度下的I_OFF，為提供相似的電流值，HiPCO和Tuball器件的W/L為4000/200?μm，而PD和AD器件的W/L均為400/200?μm。所有的電子器件的介電面積電容均為1.01 nF/cm²。

圖8?拉伸應變和伸縮次數對可伸縮電子器件的影響

（a）未發生形變的電子器件。

（b）電子器件受拉伸作用發生60％應變；

（c）第一次（預處理）伸縮循環，I_ON與應變的歸一化；

（d）第二個拉伸周期，I_ON與應變的歸一化；

（e）閾值電壓隨應變偏移。為產生相似的電流。（a，b）為通道長度20?μm和通道寬度400?μm的電子器件，（c-e）是通道200?μm的電子器件。其中，HiPCO器件的通道寬度為4000?μm，PD和AD器件的通道寬度為400?μm。

（f，g）AD半導體器件的I_ON和V_t與循環次數的歸一化用于用。W/L為400/200?μm。

【小結】

研究人員通過利用連續轉移技術制備全碳可伸縮晶體管。使用SEBS電介質實現滯后和偏壓應力效應最小化。具有不同帶隙的SWNT被用作半導體材料。等離子放電SWNTs電子器件的遷移率高達?15.4 cm²/Vs，開/關比>10³。光刻印刷術的源極和漏極使電子器件可在20 V柵極電壓范圍內運行時，同時仍能實現開/關比> 10⁴，表明其具備在可穿戴兼容設備中的潛力應用。大帶隙器件對應力具有更高的靈敏度，且依賴于電介質的厚度；而接觸受限器件則明顯表現出較小的應力依賴性。因此，提高電子器件性能的方法包括研發更為穩定的空氣摻雜法和提高SWNTs的長度和質量。此外，通過增加SWNTs和基底的粘附力可實現提高可伸縮電子器件的循環性能。

文獻鏈接：Investigating Limiting Factors in Stretchable All-Carbon Transistors for Reliable Stretchable Electronics（ACS Nano?2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b02458）

本文由材料人編輯部納米材料學術組王暢供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入材料人編輯部納米材料學術交流群（228686798）！

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