新材料界面科学与工程教育部重点实验室有机光电课题组在《Small》发表最新研究成果

日前，我校新材料界面科学与工程教育部重点实验室有机光电课题组王华教授团队和中科院苏州纳米所纳米器件研究部印刷电子研究中心赵建文教授团队合作在柔性碳纳米管CMOS晶体管领域取得重要研究进展，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”为题发表在材料科学国际顶级学术期刊《Small》(影响因子15.153)。该论文的第一署名单位为太原理工大学，博士研究生李敏为论文第一作者，王华教授、苏州纳米所赵建文研究员为论文共同通讯作者。

图1.论文页面截图

近年来，万物互联科技不断发展，电子产品不断向柔性化、功能化和超低功耗的方向发展从而更加便携并适于远程操控，产品供电电压通常仅为1 V左右同时电流也受到限制，因此开发具有超低电压（≤0.5V）和超低功耗（<1nW/gate）的柔性全溶液处理薄膜晶体管和CMOS电路是非常重要的。单壁碳纳米管由于其极好的物理化学性质、电学性质、溶液加工特性、以及机械柔韧性等诸多优势被广泛用于制备晶体管器件、电子电路以及柔性印刷电子。但是受到空气中水氧影响，碳纳米管晶体管通常表现为P型耗尽的电学性质，因此碳纳米管晶体管器件的阈值调节和极性转换较为困难，也使得碳纳米管超低功耗CMOS电路难以成功搭建。

图2.基于BiI₃-ILs-c-PVP的柔性碳纳米管CMOS晶体管的性能

王华教授团队和中科院苏州纳米所赵建文研究员团队将铋基材料BiI₃引入到ILs-c-PVP电介质中，使得底栅Ag电极表面生成超低功函的超薄AgI层，同时调节碳纳米管墨水的浓度和打印次数，有效控制了晶体管的阈值电压，我们的增强型器件在0.5V~-1.5 V的栅极扫描电压下，展现出高开关比（~10⁶），较小的亚阈值摆幅（70-85 mV/dec）以及良好的稳定性和10000次以上的机械柔韧性；进一步地，在原始碳纳米管晶体管沟道处选择性印刷Zr(acac)₄:AMP的乙醇溶液，有效实现了碳纳米管晶体管的极性转换。最后，基于性能匹配的以BiI₃-ILs-c-PVP为介电层的增强型P/N型碳纳米管晶体管器件，我们构建的柔性SWCNT CMOS电路具有全轨对轨电压输出特性，同时V_DD为0.2 V时功耗超低仅为5.4 pW，此时反相器的单位静态功耗仅为6.75 fW/μm，这也是已报导的柔性SWCNT CMOS反相器的功耗最低值。

图3.超低功耗碳纳米管CMOS反相器

王华，太原理工大学，教授。博士毕业于太原理工大学。主要从事有机半导体光电材料与器件等研究，已发表SCI论文200余篇，主持承担国家自然科学基金3项和省部级科研项目8项，授权美国发明专利2项和国家发明专利24项。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202207311.