新材料界面科學與工程教育部重點實驗室有機光電課題組在《Small》發表最新研究成果

日前，我校新材料界面科學與工程教育部重點實驗室有機光電課題組王華教授團隊和中科院蘇州納米所納米器件研究部印刷電子研究中心趙建文教授團隊合作在柔性碳納米管CMOS晶體管領域取得重要研究進展，研究以“Fully-Solution-Processed Enhancement-Mode Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Carbon Nanotube Thin Film Transistors Based on BiI₃-Doped Crosslinked Poly(4-Vinylphenol) Dielectrics for Ultralow-Power Flexible Electronics”為題發表在材料科學國際頂級學術期刊《Small》(影響因子15.153)。該論文的第一署名單位為太原理工大學，博士研究生李敏為論文第一作者，王華教授、蘇州納米所趙建文研究員為論文共同通訊作者。

圖1.論文頁面截圖

近年來，萬物互聯科技不斷發展，電子產品不斷向柔性化、功能化和超低功耗的方向發展從而更加便攜并適于遠程操控，產品供電電壓通常僅為1 V左右同時電流也受到限制，因此開發具有超低電壓（≤0.5V）和超低功耗（<1nW/gate）的柔性全溶液處理薄膜晶體管和CMOS電路是非常重要的。單壁碳納米管由于其極好的物理化學性質、電學性質、溶液加工特性、以及機械柔韌性等諸多優勢被廣泛用于制備晶體管器件、電子電路以及柔性印刷電子。但是受到空氣中水氧影響，碳納米管晶體管通常表現為P型耗盡的電學性質，因此碳納米管晶體管器件的閾值調節和極性轉換較為困難，也使得碳納米管超低功耗CMOS電路難以成功搭建。

圖2.基于BiI₃-ILs-c-PVP的柔性碳納米管CMOS晶體管的性能

王華教授團隊和中科院蘇州納米所趙建文研究員團隊將鉍基材料BiI₃引入到ILs-c-PVP電介質中，使得底柵Ag電極表面生成超低功函的超薄AgI層，同時調節碳納米管墨水的濃度和打印次數，有效控制了晶體管的閾值電壓，我們的增強型器件在0.5V~-1.5 V的柵極掃描電壓下，展現出高開關比（~10⁶），較小的亞閾值擺幅（70-85 mV/dec）以及良好的穩定性和10000次以上的機械柔韌性；進一步地，在原始碳納米管晶體管溝道處選擇性印刷Zr(acac)₄:AMP的乙醇溶液，有效實現了碳納米管晶體管的極性轉換。最后，基于性能匹配的以BiI₃-ILs-c-PVP為介電層的增強型P/N型碳納米管晶體管器件，我們構建的柔性SWCNT CMOS電路具有全軌對軌電壓輸出特性，同時V_DD為0.2 V時功耗超低僅為5.4 pW，此時反相器的單位靜態功耗僅為6.75 fW/μm，這也是已報導的柔性SWCNT CMOS反相器的功耗最低值。

圖3.超低功耗碳納米管CMOS反相器

王華，太原理工大學，教授。博士畢業于太原理工大學。主要從事有機半導體光電材料與器件等研究，已發表SCI論文200余篇，主持承擔國家自然科學基金3項和省部級科研項目8項，授權美國發明專利2項和國家發明專利24項。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202207311.