《Carbon》：Aerosol Jet 打印实现柔性电路用匹配打印CNT CMOS器件（制造匹配游戏）

Aerosol Jet Printing（气溶胶喷射打印）是微纳制造领域的创新技术, 基于该技术发表的高水平论文超过300篇，Google 学术有超过20万篇的应用案例和论文供参考。通过该技术可在无需传统的掩膜或薄膜设备下进行多功能材料的微纳打印，减少了需要依赖多个微纳加工设备及多步骤微纳加工的复杂和昂贵过程。

云尚智造是 Aerosol Jet微纳 3D 打印技术发明者和专利拥有（Optomec公司）在中国的授权总代理。并在北京建立了 Aerosol Jet 打印技术应用和服务中心，可为国内用户提供按需打印、技术咨询、设备安装和技术支持等服务。

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本文主要介绍了一种基于Aerosol Jet（气溶胶喷射）打印碳纳米管（CNT）互补金属氧化物半导体（CMOS）器件的制备方法。该方法可以实现高精度、高可靠性的打印电路，具有低功耗、高性能和可弯曲性等优点，适用于柔性电子学领域。本文通过对打印CNT CMOS器件的制备过程和性能进行了详细的研究和分析，证明了该方法的可行性和优越性。

在本工作中，Aerosol Jet 打印被用于在器件通道上打印半导体CNT溶液。该技术可以在非常细小的尺度上进行打印，从而实现高分辨率和高精度的打印。此外还可以在不需要接触的情况下进行打印，从而避免了对器件的损伤。Aerosol Jet 打印技术在本工作中的应用为制造匹配的碳纳米管CMOS器件提供了一种高效、精确和非接触的打印方法。

CNT墨水和环氧胺墨水的制备：使用以下步骤来制备可打印半导体CNT墨水：将10mL甲苯与4mg PCz和6mg CNT（通过电弧放电产生）混合，并使用60 W超声波探头（来自Sonics & Materials Inc，型号VCX 130）在冰水浴中对混合物进行超声处理30分钟。然后以40,000 g离心2小时以除去金属CNT和CNT束。立即利用上清液来构建CNT TFT，不进行任何额外的处理。将环氧化物（128）和交联剂（ZY-F51）以重量比为1.5：1混合并搅拌30 min后，可获得极性转换墨水（环氧胺墨水）。

在PI衬底上制作CNT TFT和逻辑电路：如方案1所示制造打印底栅CNT TFT和CMOS电路。首先，通过用荫罩热蒸发在PI基板上沉积150nm厚的图案化铝栅电极。然后，使用Cambridge纳米技术公司的ALD在250 ℃下在Al栅极上沉积10nm的Al2O3层。使用Dimatix打印机型号E10 -2831，将银纳米颗粒墨水打印在介电层上，并在加热板上在150 ℃下退火30分钟。p型TFT的W和L分别为1000μm和120 μm。对于n型TFT，L和W分别为60μm和1000μm。气溶胶喷射打印（Optomec的M3D气溶胶喷射打印机）用于以1.5mm/s的速度在器件通道上打印半导体CNT溶液。为了除去过量的聚合物，用甲苯洗涤装置3次。最后，CNT TFT在空气中在100 ° C下烘烤3分钟以去除任何残留的溶剂。

图文导读：

方案1. 在柔性基板上打印CNT CMOS TFT和反相器的制造工艺的示意图。

图1. a）PCZ包裹的半导体CNT墨水的吸收光谱。b）n型CNT TFT和p型CNT TFT的典型传输曲线，分别为VDS = 0.25 V和−0.25 V。c）具有不同纵横比的TFT器件的光学照片。d）具有不同纵横比和不同打印时间的p型CNT TFT的典型转移特性。e）n型和增强模式p型CNT TFT的典型传输特性和f）输出曲线。g）柔性CNT CMOS反相器的示意图。h）对于p型TFT，L = 60 μm和W = 1000 μm的沟道尺寸CNT TFT的光学图像，以及对于n型TFT，L = 120 μm和W = 1000 μm的沟道尺寸CNT TFT的光学图像。i）器件沟道的半导体CNT膜的SEM图像。

图2. p型和n型CNT TFT的稳定性。

图3. a）p型和b）n型CNT TFT的传输特性和分布直方图。c）阈值电压，e）Ion/Ioff比，g）器件迁移率和i）p型CNT TFT的SS。d）阈值电压，f）Ion/Ioff比，h）器件迁移率和j）n型CNT TFT的SS。

图4. 柔性打印CNT CMOS反相器。 a）CMOS反相器输出电压曲线，输入电压范围为−0.25至−1 V。插图显示了CMOS反相器的原理图。B）VDD = −1 V时的噪声容限。c）电压增益; d）不同VDS时CMOS反相器的功耗。比较e）功耗和f）以前报道的CMOS反相器的最大电压增益。g）介电层的电容与频率之间的关系。分别在h）1 Hz和i）100 Hz时柔性打印CMOS反相器的频率响应特性。