本文關(guān)鍵詞：可延展石墨烯電子器件的力學(xué)設(shè)計與分析

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【摘要】：隨著Si基晶體管尺寸的持續(xù)減小,電子芯片的速度和集成度在過去的52年間以摩爾定律為準(zhǔn)則得到了飛速發(fā)展。但這些傳統(tǒng)電子器件一般都是基于平面CMOS工藝在剛性電路板上制作出來的,這限制了電子器件在一些非平面工作環(huán)境的應(yīng)用,如人體表皮實時健康監(jiān)測。因此,基于無機(jī)材料的柔性電子學(xué)(也稱為"宏電子學(xué)")應(yīng)用而生。但硅等塊體無機(jī)材料本身的脆性、較厚等屬性會導(dǎo)致其柔性器件商業(yè)化應(yīng)用中的高成本、低效率。二維材料是一類具有原子級厚度的層狀晶體,層內(nèi)通過共價鍵相連,而層間通過范德瓦爾斯(vdW)力鍵合,代表了固體實現(xiàn)最大光學(xué)透明度、最佳靜電控制、機(jī)械柔性以及化學(xué)傳感靈敏度的理想情形。同時二維材料擁有超強(qiáng)的輸運(yùn)(電荷、自旋、光、熱)以及無界面懸掛鍵等多種優(yōu)秀性質(zhì),使其在新型柔性納米電子學(xué)領(lǐng)域受到廣泛研究。其中,石墨烯具有最快的電子輸運(yùn)、最高的載流子遷移率,以及超強(qiáng)的力學(xué)性能而在透明柔性可延展電子器件的應(yīng)用中相較于硅有很大的優(yōu)勢。我們系統(tǒng)地研究了 CVD石墨烯的生長、轉(zhuǎn)移以及柔性器件制備,并針對其可延展電子器件進(jìn)行力學(xué)設(shè)計與分析。主要研究內(nèi)容如下:1.通過化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法在銅箔上生長了最大單晶達(dá)1.3mm,平均晶疇600μm以上、界面粗糙度4nm以下的多晶石墨烯薄膜,并分析了轉(zhuǎn)移在柔性襯底和二氧化硅等剛性襯底上CVD石墨烯電學(xué)性能的差異。然后,提出了一種基于PDMS本身屬性的"澆筑"方法,可轉(zhuǎn)移圖形化的石墨烯及其柔性器件到高度可拉伸的PDMS襯底,同時PDMS上的器件也會"復(fù)制"CVD銅箔襯底的表面形貌。最后,測試到PDMS上石墨烯柔性器件的電學(xué)與力學(xué)性能變差且不穩(wěn)定,我們強(qiáng)調(diào)了PMMA等封裝材料在柔性器件中的重要性。2.通過"澆筑"轉(zhuǎn)移工藝制備了 PMMA背面封裝的石墨烯/Au蛇形導(dǎo)線,并通過拉伸時導(dǎo)線的變形云圖與電阻測量來研究其彈性延展率。首先,通過對石墨烯/550nmPMMA蛇形導(dǎo)線測試,獲得了 35%的石墨烯導(dǎo)線彈性延展率,接近41%的理論模擬值。我們認(rèn)為"澆筑-復(fù)制"過程引入的石墨烯表面褶皺(crumpling)會使石墨烯的力學(xué)性能進(jìn)一步降低,使得石墨烯導(dǎo)線提前發(fā)生彈性-塑性轉(zhuǎn)變(產(chǎn)生裂紋);而對于100nmAu/550nmPMMA蛇形導(dǎo)線,在拉伸率接近50%的時,導(dǎo)線的導(dǎo)電性依舊可以保持不變,遠(yuǎn)大于14%的理論模擬彈性延展率,原因是塑性變形區(qū)的金屬導(dǎo)線只有經(jīng)過成千上萬此應(yīng)力加載-卸載的疲勞測試后才會發(fā)生斷裂;而對20nmAu/550nmPMMA進(jìn)行拉伸,具有7.4%的理論模擬彈性延展率,結(jié)果在25%拉伸率下Au導(dǎo)線就發(fā)生斷裂,表明石墨烯斷裂應(yīng)變已優(yōu)于該厚度的Au。最后,設(shè)計并制備出一種可用于電子皮膚的CVD石墨烯分形結(jié)構(gòu)導(dǎo)線。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O613.71;TN702

【參考文獻(xiàn)】

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1 馮雪;陸炳衛(wèi);吳堅;林媛;宋吉舟;宋國鋒;黃永剛;;可延展柔性無機(jī)微納電子器件原理與研究進(jìn)展[J];物理學(xué)報;2014年01期

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本文編號：1262018