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二维材料推动纸基电子器件走向实用
2017-12-06


[据科技纵览网站2017125日报道]  纸基电子产品主要限于印刷有机电子产品。虽然这在包装标签和玩具等商品应用领域具有应用潜力,但有机半导体的响应速度并不适合大多数射频电路的应用需求。纸基电子器件迄今仍不适用于通过蓝牙频率将物联网(IoT)、智能传感器和其他智能应用连接到云。



本周,美国德克萨斯大学研究人员在国际电子器件会议上报告说,石墨烯和二硫化钼(MoS2)具有非凡的导电性,可以使纸基电子器件达到物联网和智能传感器应用所需的频率。研究人员声称,这项工作首次在纸张基材上制备出高性能二维(2D)晶体管。



尽管过去已经证明纸张适用于印刷有机电子产品,但它并没有制备出传统电子产品。因此,普通的办公用纸不适合高性能的晶体管制造。



为了克服这个主要问题,由德克萨斯大学Deji Akinwande领导的研究人员首先必须解决对电流流动不利的纸张表面粗糙度问题。



Akinwande和他的同事Saungeun Park需要克服的另一个障碍是纸张对水的高度吸收。这种吸水性使得纸张不可能采用涉及水和化学制品的标准电子制造工艺。



电子器件与纸张一起工作的另一个挑战是当暴露于高热时,纸张更容易燃烧,这增加了对最大处理和工作温度的限制。



Akinwande说:经过大量的研究,我们用一步解决方案解决了这些问题,这个解决方案主要是在纸上涂覆聚合物薄膜涂层。有了这个涂层,纸变得非常光滑,不再吸收水或化学物质,承温能力稍有改善,这足以满足装置制造需求。”



纸可以说是电子产品中最便宜的基材,比塑料便宜10-100倍,比半导体基材便宜得更多。然而,石墨烯和二硫化钼仍然相对较贵,是纸基电子产品的主要成本瓶颈。



虽然石墨烯和其他相关2D材料的价格随着制造技术的提高而下降,但Akinwande承认这些材料永远不会像纸张那样便宜。他补充说:“基于纸张的2D技术可能最适合功能和性能比成本更重要的应用领域。”



目前,德克萨斯大学的研究人员已经制备出了高速而简单的晶体管器件,接下来的步骤将是实现复杂的电路,如纸上的无线射频系统。 Akinwande认为,这将是一个实际系统级范例的重要进展,可以将研究从实验室推向商业化。



Akinwande称,为了使该技术达到商业化水平,需要采用几种制造技术从而扩大到卷对卷制造工艺,包括用于制造小型器件的纳米压印光刻技术、用于质量控制的在线计量、2D材料的卷对卷生长以及随后的塑料转印。



Akinwande说:所有这些制造工艺都不是成熟的,处于研发阶段。实际上,我们在德克萨斯大学拥有一个纳米制造中心(NASCENT),专注于新型纳米技术的扩大,如柔性/电子纸。”(工业和信息化部电子第一研究所  张慧)



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