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信息工程学院张敏课题组在基于范德华工程的柔性全碳晶体管研究中取得重要进展
日期:2022-07-05 08:55:30 信息工程学院 点击:

近日,信息工程学院张敏课题组在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Mixed-Dimensional van der Waals Engineering for Charge Transfer Enables Wafer-Level Flexible Electronics”的研究论文。该研究揭示了范德华工程及低维全碳基结构在实现高性能电子器件方面的优势,实现了具备优异电学和机械性能的柔性电子器件,并研究了其中的电荷转移机制。

近年来,柔性电子因其在可穿戴健康监测、软性机器人电子皮肤、人机界面等新兴应用领域中的巨大潜力而引起了学者们的研究兴趣。然而,柔性电子同时也面临着材料的自限性制备、折中的机械柔韧性和因此导致的亟需提高的电学性能等挑战。对于柔性电子的核心器件-高性能晶体管而言,实现全部本征柔性功能层的集成尤为关键和具有挑战性,需要无损且简便的制造工艺。针对该问题,利用范德华材料本身的无悬挂键特点和材料间可忽略的界面态陷阱效应,范德华工程显示出了突出的优势。

该工作提出并通过混合维度范德华工程制备了晶圆级柔性全碳基晶体管。其中,一维半导体型碳纳米管作为沟道,一维金属型碳纳米管作为源/漏/栅电极,二维氧化石墨烯作为栅介电层。该晶体管具有优异的电学特性,亚阈值摆幅最低可至51.8mV dec-1,突破了传统器件的玻尔兹曼热力学极限。同时,该晶体管的最高迁移率可高达313.8cm2 V-1 s-1,具有高载流子传输速率、小回滞和低工作电压等优势。通过密度泛函理论计算和电学表征,该工作进一步证实了氧化石墨烯对碳纳米管的电荷转移调制效应,该效应增强了碳纳米管的沟道电导。此外,晶体管在250 μm的超小半径弯折后仍保持稳定的电学特性。基于该器件结构,该工作还实现了指数级灵敏度的温度传感器概念和反相器模块,展示了该晶体管作为全范德华柔性电子构建基础模块的可行性。无论是全范德华晶体管实现策略还是电荷转移机制,都为提高器件性能和进一步推进柔性电子发展提供了通用方法。

该工作为北京大学深圳研究生院信息工程学院独立完成,信息工程学院张敏副教授为论文通讯作者,2019级硕士生张艺明为论文的第一作者,硕士生刘德行、黄秋月、任沁琦、范凌冲、杜春晖以及信息工程学院张盛东教授也在工作中做出了重要贡献。上述研究得到了国家自然科学基金项目、深圳市科技创新委员会布局项目及稳定支持项目的支持。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202205111

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