SWCNTs thin film transistor circuits fabricated on flexible substrates with inkjet-printed silver electrodes for photodetectors
本文展示了利用喷墨打印银电极制备柔性单壁碳纳米管薄膜晶体管和 PMOS 反相器，并揭示了在白光照射下受光诱导载流子复合和费米能级相关载流子动力学控制的独特光响应行为及迟滞反转现象。
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想象一个这样的世界：你口袋里、手腕上甚至织入衣物中的电子设备不再是僵硬的硅块，而是可以弯曲、扭转和拉伸而不断裂的柔性薄片。这一愿景依赖于一种被称为碳纳米管的材料，它们本质上是由碳原子构成的微观圆柱体。这些细小的管子强度极高，且能以卓越的效率导电，使其成为下一代柔性屏幕、传感器和计算机芯片的理想候选材料。然而，制造这些设备通常需要复杂的、昂贵的制造工艺，涉及高温和真空室，这很难应用于脆弱且可弯曲的材料。为了使柔able电子设备真正具备实用性和经济性，科学家们正在寻找更简单的组装方法，理想情况下是使用像在纸上印刷油墨一样简单的方法。
在最近的一项研究中，研究人员通过结合滴涂法（drop-casting）和喷墨打印技术，在柔性塑料片上制造出了可工作的电子电路，向这一目标迈出了重要一步。由 Subhash Singh 及其同事领导的团队，利用单壁碳纳米管作为活性材料，构建了薄膜晶体管——这是现代电子设备中控制电流流动的基本开关。他们没有使用传统的、高科技的沉积方法，而是简单地将含有纳米管的少量液体滴落在塑料表面并让其干燥。对于电气连接，他们使用喷墨打印机沉积银电极，这种技术可以实现精确的图案绘制而不会浪费材料。为了绝缘组件，他们在纳米管上方旋涂了一层特殊的塑料聚合物。其结果是一个完全通过溶液法制造的全功能电子电路，这意味着每一步都涉及液体和干燥，而非严苛的工业机械。
研究人员测试了这些新设备作为开关和光传感器的性能表现。他们发现，这些晶体管可以有效地开启和关闭，即在施加特定电压时允许电流流动，而在移除该电压时停止电流。这些器件移动电荷的速度为每伏秒 2.43 平方厘米，这一迁移率指标表明该材料的效率足以应对许多实际应用。此外，团队将这些晶体管连接在一起，形成了一个被称为反相器（inverter）的简单逻辑电路，它可以将电信号从高电平翻转为低电平，反之亦然。该电路运行符合预期，能够根据输入电压的变化成功改变输出电压，证明了这些印刷组件可以协同工作以执行基本的计算任务。
除了开关电流的能力外，这些器件还展现出了迷人的光照反应。当研究人员将白光照射在晶体管上时，电流的变化方式完全取决于设备的控制状态。当晶体管处于“关闭”状态时，光照会导致电流增加，因为光子的能量有助于产生更多的电荷载流子。然而，当晶体管处于“开启”状态时，光照实际上会导致电流减少。这种反转发生是因为光触发了一个过程，即正电荷和负电荷相遇并相互抵消，这种现象被称为复合（recombination）。研究人员观察到，这种效应并非暂时的故障；当光开启时，器件会迅速响应，并在光关闭时完全恢复，这表明它们可以用作可靠的光传感器。
研究还揭示了材料内部行为在不同条件下的变化。通过测量在光关闭后电流恢复稳定的时间，团队发现这种恢复速度取决于施加在晶体管栅极上的电压。当栅极电压为正时，恢复相对缓慢，电流需要超过两分钟才能回到正常水平。相比之下，当栅极电压为负时，恢复速度明显加快，仅需约二十秒。这种差异表明，材料内的能量水平位置会随电压而移动，进而控制电荷复合的速度。这些发现证实了这些柔性器件的行为是由光与纳米管薄膜内电荷运动之间的相互作用所驱动的。
这项工作证明，利用简单、低成本的方法制造高质量、柔性的电子电路是完全可行的，且不需要昂贵的设备。这些器件在光照和黑暗的反复循环下表现良好，显示出足以应对现实世界使用的鲁棒性。虽然目前反相器电路的增益较为适中，但将喷墨打印电极与滴涂纳米管成功整合，证明了全溶液处理方法可以产生功能性的逻辑门和传感器。这为制造大面积、柔性的电子设备打开了大门，这些设备可以廉价生产，并广泛应用于从可穿戴健康监测器到智能包装等各种技术领域，而这一切都是基于与印刷它们所用的塑料一样灵活的材料构建的。
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