前言

由于物联网的出现，对用于显示器、可穿戴传感器和智能附件的低成本、柔性电子设备的需求正在增加。避免高真空气相沉积和高温工艺是降低此类设备成本的关键。因此，可溶液处理的材料，如有机分子、聚合物、碳纳米管(CNTs)、和石墨烯已被用作柔性设备的半导体和导电材料。然而，有机半导体的环境稳定性是坚固器件的重要障碍，而聚合物的低电子和热导率也不利于器件性能。石墨烯呈现出各种复杂的处理和加工问题。在这些材料中，碳纳米管由于其低成本、优异的电性能和高机械柔性而特别有前途。此外，碳纳米管可以是半导体或导电的，这取决于它们的结构和手性，因此可以专门用于制造柔性和低成本的半导体器件。因此，研究人员正在寻求开发一种全碳器件，这种器件既能高度灵活又能低成本。几种方法，如气相沉积、喷涂、气溶胶喷射印刷、和喷墨印刷已被单独使用或与转移印刷结合使用，以制造全碳纳米管场效应晶体管。

研究内容

定向组装是一种印刷技术，它能够使用表面、毛细管、磁力或电泳力来精确放置纳米元件。与上述印刷方法相比，定向组装可用于精确和选择性地沉积所需厚度和形态的碳纳米管膜。此外，定向组装可实现的分辨率远远超过普通印刷方法，并展示了纳米级特征的印刷。美国东北大学的研究人员将定向组装技术与转移印刷的优势相结合，允许以高保真度在柔性基底上印刷，并且用于材料转移的“印记”可以重复使用以增加可制造性。

实验方法

单壁碳纳米管被用作半导体沟道，而栅电极和源-漏电极由金属多壁碳纳米管组成。SU-8是一种碳环氧聚合物，通常用作负性光刻胶，已经交联并用作栅极电介质，如以前在全管薄膜晶体管中使用的那样。使用紫外光刻在4英寸的氧(O2)等离子体处理，长度上以500毫米的间距图案化100毫米宽的内径和内径。为了将单壁碳纳米管组装成图案化的线，将晶片浸入0.025毫克/毫升的SWNT悬浮液中，并使用浸涂机以0.05毫米/分钟的速度取出。该印刷工艺利用羟基化硅衬底和周围光刻胶模板之间的润湿性差异。当溶剂在弯月面处蒸发时，蒸发的体积由带来悬浮碳纳米管的大部分悬浮液的对流补充。弯月面处的液体蒸发，并留下组装在图案化线条中的悬浮碳纳米管。因为墨水不容易在光致抗蚀剂表面上扩散，并且蒸发更慢，所以沉积在光致抗蚀剂表面上的碳纳米管明显更少。

单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的衬底构图和组装工艺示意图

转移印刷用聚酰亚胺基材的制备及单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的顺序转移

结论

文中提出了一种在柔性衬底上制造全碳场效应晶体管的稳健而简单的制造方法。没有使用高真空或高温工艺，直接组装辅助转印用于获得高性能器件。用于多壁碳纳米管转移印刷的模板可以用于其他材料，并且可以重复使用，这从制造的角度来看是一个主要优势。本文介绍的组装方法也可用于在刚性衬底上制造碳纳米管场效应晶体管。

Solution processed all-carbon transistors via directed assembly and transfer printing of CNT channel and electrodes。