基于热释电效应的碳基电子器件微纳复合喷射印刷机理与关键技术研究

Printed electronics have many merits, such as large area, flexible substrate and low cost. However, the bottleneck problems of low charge carrier mobility about printing materials, low positioning accuracy and resolution about printing pattern restrict the further development. The project proposes modifying printing material through dissolving high performance carbon inorganic nano-materials- graphene and carbon nanotubes into organic solvents. And the nano inkjet printing technology with limiting nozzle based on pyro-electrohydrodynamic effect is presented. Combining with conventional inkjet technique, the push-pull composite micro/nano inkjet printing technology will be realized. The main research contents are as follows. The mathematical model of electric field and the thermal field with pyroelectric crystal will be constructed. And the coupling rule under flow field, electric field and gradient temperature field of graphene and carbon nanotubes organic mixture will be revealed. The micro/nano composite inkjet equipment will be designed and optimized. Then, the relationship of the control parameters and the printing film quality will be clarified. Further, graphen/carbon nanotubes thin film transistor will be fabricated on the self-made printing system. The mixture properties, the process parameters and the device performance will be discussed. The project results will provide the theoretical foundation and scientific basis for pattern inkjet printing of carbon inorganic nano-materials, furthermore, it will play a great role on process scheme and technically support of high efficiency and reliability production for high performance carbon printed electronic devices.

印刷电子器件具有大面积、柔性化、低成本等优点，然而印刷有机材料的电荷迁移率低、印刷图形的定位精度与分辨率低等不足严重制约印刷电子技术的发展。本项目利用高性能碳基无机纳米材料-石墨烯和碳纳米管改进印刷材料性能，提出一种基于热释电效应的喷嘴限位式纳米喷射印刷技术，并与传统喷射方式有机结合，实现推拉复合微纳喷射印刷制作方法。研究内容包括：建立热释电晶体形成电场与所处热场的数学模型，揭示石墨烯和碳纳米管有机混合液在电场、流场和梯度温度场耦合作用下的运动规律，设计优化热释电效应微纳复合喷射装置结构，厘清喷射控制参数与印刷成膜质量的关系，进而构建基于此原理的喷射印刷系统，完成石墨烯/碳纳米管薄膜晶体管的制作，并探讨溶液特性、工艺参数与器件性能之间的关系。研究成果可为碳基无机纳米材料的喷射沉积成膜的图案化印刷方法提供理论基础和科学依据，为高性能碳基印刷电子器件的大面积、高效率生产提供工艺方案和技术支撑。

传统印刷图形定位精度以及分辨率较低的缺陷严重制约了印刷电子技术在有机柔性电子制造领域的发展，因此，研发特征尺寸更小、精度更高、性能更优的新工艺及装备迫在眉睫。本项目开发了一种基于热释电效应的电流体喷嘴限位式微纳喷射印刷技术，利用热释电效应规避了现有纳米喷射需直接施加高电压和配备复杂电路引起的诸多问题。首先，建立了基于热释电效应的电流体喷射模型，利用COMSOL软件对钽酸锂晶体进行了热释电数值模拟分析，揭示了不同影响因素(热释电晶体加热温度、极板间距、喷嘴半径等)对喷射过程的影响；完成了氧化石墨烯、PEDOT等典型有机功能材料的热释电喷射实验，实现了喷射周期为30-50ms的高频稳定喷射。然后，设计并搭建了基于音圈电机的玻璃微喷嘴成型装置以及双端驱动玻璃微喷嘴加工装置，用于流道可控的微喷嘴制作。前者采用音圈电机驱动，实现了基于DSP的喷嘴成型过程力/位一体化控制，完成了喷嘴微流道精确可控成形制作。后者将拉制、锻制及磨制工艺集成，实现了玻璃管的双端对称变形，从而可同时完成流道一致的成对玻璃微喷嘴的高效加工。接着，搭建了微纳复合喷射五轴运动平台，可完成平面基底的喷射运动，还能实现曲面基底的精确喷射成型，从而拓展了承印物表面形状的范围。最后，对喷射成膜质量进行了系统试验研究，完成了成膜质量（宽度、厚度、均匀性等）的参数工艺优化试验。根据稳态喷射与均匀成膜工艺参数，制得了不同层数的氧化石墨烯薄膜电极和气敏传感器叉指电极，进行了高温热还原处理，获得还原氧化石墨烯薄膜电极，并进行了电特性测试，结果表明，还原后的薄膜电极方阻和电阻率分别为24Ω/□和34.5 mΩ·cm。项目完成27项成果，获福建省科技进步二等奖1项，发表论文13篇，其中SCI检索7篇次、EI检索8篇次、2篇论文被评为“2018年福建省机械工程学会学术年会优秀学术论文奖”，授权专利10项（其中，发明专利8项），实审发明专利3项，培养硕士研究生7名。