[發明專利]一種碳納米管墨水的制備方法及晶體管器件的制作方法

有效

• 申請號: 201210102957.8
• 申請日: 2012-04-10
• 公開（公告）號: CN102634249A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 趙建文;王超;崔錚
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: C09D11/02
• 分類號: C09D11/02;H01L21/336
• 代理公司: 深圳市銘粵知識產權代理有限公司 44304
• 代理人: 楊林;馬翠平

技術領域

本發明涉及印刷納米電子領域，尤其是一種將半導體碳納米管制備成可印刷的高性能半導體碳納米管墨水的方法及其應用。

背景技術

印刷電子技術是最近3年來才在國際上蓬勃發展起來的新興技術與產業，據專家預測2020年全世界印刷電子產品總值將達到570億美元，因而印刷電子技術的發展已受到全世界人們的廣泛關注，成為當今多學科交叉、綜合的前沿研究熱點。為了構建印刷電子元器件以及開發其相關應用，高性能新型印刷電子墨水的研制成為印刷電子技術最關鍵的技術之一，使得印刷墨水的制備以及新工藝的開發已成為現代印刷電子領域的熱點和難點。印刷半導體電子器件的性能在很大程度上由半導體材料固有的性質決定。然而各種半導體材料在構建不同的印刷電子器件時都會存在一些不足。如有機半導體材料存在遷移率普遍不高、物理和化學性質不穩定、晶化不可控性等缺點。氧化鋅摻雜的透明氧化物半導體材料表現出優越的電性能，但往往需要高溫退火才能進一步提高器件性能。不過隨著各種新型高性能無機和有機半導體材料的出現以及印刷工藝的發展，各種新型無機和有機薄膜印刷電子器件性能在不斷提高。

與其他半導體材料相比，半導體碳納米管不僅尺寸小、電學性能優異、物理和化學性質穩定性好，而且碳納米管構建的晶體管等電子元件具有發熱量更少以及運行頻率更高等優點，同時碳納米管容易實現溶液化，因此半導體碳納米管被認為是構建高性能可印刷薄膜晶體管器件最理想的半導體材料之一。這使得印刷碳納米管電子器件構建及其應用已成為當今科學界研究的熱點之一。為了得到高性能印刷電子器件，高性能可印刷半導體碳納米管的墨水制備就顯得尤為重要。如何得到高質量的可印刷半導體碳納米管已成為印刷電子領域的一個熱點和難點。

目前一些企業相繼開發出一些可印刷半導體碳納米管墨水，并構建出高性能的碳納米管薄膜晶體管器件。但打印機在打印碳納米管水基墨水時存在一些缺陷如其消耗墨水的量大，打印次數過多(有的需要打印幾十至100多次才能構建出碳納米管薄膜晶體管器件)、構建的器件性能不好、墨水毒性大等缺點；而且在打印過程中碳納米管墨水的濃度一直在不斷地變化，因此器件性能的可控性與操作者的經驗有重要關系。為了滿足印刷電子技術的需要，非常必要開發一些高性能的環境友好的水基半導體碳納米管印刷墨水，以滿足蓬勃發展的印刷電子的需要。

發明內容

本發明的目的在于針對目前現有可印刷半導體碳納米管墨水存在的不足，提出了一種環境友好、可噴墨印刷的高性能半導體碳納米管墨水制備方法，以及采用這種碳納米墨水制作晶體管器件的方法。制備方法簡單、環境友好、操作方便、成本低廉、印刷薄膜晶體管電性能優越，可大規模用于商業生產。

這種碳納米管墨水的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：取碳納米管、表面活性劑、添加劑聚乙烯吡咯烷酮及水按照質量比為0.0001～0.1∶0.02～5∶0.0001～2∶200，攪拌混合并進行超聲分散，配成懸濁液；

步驟二：將所述懸濁液進行離心分層，分離出上層清液即獲得碳納米管墨水。

在超聲分散過程中為了防止超聲探頭過熱，所述懸濁液是置于冰水浴中進行超聲分散的。

所述表面活性劑采用高分子可溶性聚合物，本發明表面活性劑可以用十二烷基磺酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、膽酸鈉或十六烷基三甲基溴化銨中的一種或多種混合。

所述添加劑聚乙烯吡咯烷酮還可以采用聚乙烯醇、聚苯乙烯磺酸鈉或葡聚糖中的一種或多種代替。通過調節添加劑種類和濃度，得到適合噴墨打印的碳納米管墨水。

為滿足打印要求，所述添加劑聚乙烯吡咯烷酮的分子量為1.3×10⁶～5×10³。

所述碳納米管經過化學功能化修飾法、離心分離法、色譜分離法或電泳中的一種或多種方法進行純化。碳納米管經過純化保證其所制備的墨水質量。

其中，所述碳納米管的管徑范圍為0.6～2nm。

本發明還提供利用這種碳納米管墨水制作晶體管器件的方法，其步驟為：將所述碳納米管墨水注入墨盒中，然后將所述碳納米管墨水印刷在預設位置，反復打印1-10次(根據器件的溝道長度不同而打壓次數有差異)；再經過150℃-300℃退火處理30～120分鐘，完成晶體管器件的制作。

本發明通過調節碳納米管墨水中的表面活性劑、添加劑種類和濃度，可得到適合噴墨打印的碳納米管墨水，特別是經過該碳納米管墨水印刷的晶體管器件，電性能優越。本發明制備方法簡單、環境友好、操作方便、成本低廉，有望大規模商業化生產。

附圖說明