二维材料推动电子纸走向物联网

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石墨烯场效应晶体管集成在聚合物涂层纸基板上

 

纸质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。纸质电子设备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。

 

近日,美国奥斯汀得克萨斯大学(UT-Austin)的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,可以使纸质电子元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。

 

尽管纸张已被证明适用于过去的印刷有机电子产品,但它传统上并没有考虑电子产品。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Deji Akinwande领导的UT-Austin研究人员首先必须解决对纸张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通过涉及水和化学品的标准电子制造过程。

 

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,我们用一种单一的解决方案解决了这些问题,这个解决方案基本上是纸上聚合物的薄膜涂层。“有了这个涂层,纸变得非常光滑,不再吸收水或化学物质,温度能力稍有改善,这对于器件制造来说是足够的。

 

纸可以说是电子产品中最便宜的基材,比塑料便宜10-100倍,而且比半导体基材便宜得多。然而,石墨烯和二硫化钼仍然相对较贵,是造纸电子的主要成本瓶颈。

 

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一样便宜。他补充说:“基于纸张的2D技术可能最适合功能和性能比单纯成本更重要的应用。

 

目前,UT-Austin的研究人员已经展示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示范的重要进展,可以将研究从实验室推向商业化。

 

据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来扩大到精密卷绕对位制造过程。这包括用于制造小型器件的纳米压印光刻,用于质量控制的在线计量,2D材料的精密卷绕对位增长以及随后的塑料转印。

 

Akinwande说:“所有这些制造流程都是成熟的,或者处于世界各地的研发阶段。“在UT-Austin,我们实际上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。”



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