高导电三维打印石墨烯墨水的制备及其场效应管应用研究

摘要

随着新一代信息技术的发展，可穿戴计算机和柔性智能终端越来越引起人们的普遍关注。高导电、具有良好柔性的石墨烯材料自然成为研究热点。围绕未来可穿戴计算机和柔性智能终端的发展，以3D打印为手段，研究了高导电三维打印石墨烯墨水的制备方法及其在场效应管中的应用研究。 针对当前三维打印技术（3DP）制备石墨烯器件，采用的化学还原法有生产过程危险性大，污染性强的弊端，提出一种基于热还原法的石墨烯电子器件制造工艺方法，并开展了如下工作： 1、提出了顶栅和背栅两种结构的场效应管的高导电石墨烯墨水的制备方法和3D可打印工艺。 2、采用还原氧化法来制备石墨烯，通过Hummers’法氧化石墨单质合成氧化石墨烯（GO），以GO作为基底材料，加入一定比例的黏结剂、分散剂等添加剂来配制可用于3DP的GO墨水。 3、选择3DP中简单可控的直写成型（DIW）工艺来打印石墨烯样品器件，并将其置于氩气环境下的管式电炉中，分别在200℃、500℃和800℃的温度中进行烧结还原，经过800℃热还原的还原氧化石墨烯（rGO），其方阻可降低至200mΩ/sq以下。 试验测试分析表明，配制的GO墨水可用于三维打印石墨烯电子器件，且制作工艺简单，参数可控性强，电导率高，适合通过3DP技术制备高导电集成电路器件，为石墨烯墨水制备方法及其电子器件制造提供了新的工艺技术，也为未来可穿戴计算机的发展提供了一条新的思路。

目录

声明

第一章 引言

1.1 研究背景意义及其趋势现状

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.1.3 研究趋势和现状

1.2 石墨烯场效应晶体管

1.2.1 石墨烯场效应晶体管研究现状

1.2.2 石墨烯场效应晶体管发展趋势

1.2.3 石墨烯场效应晶体管制作工艺

1.3 3D打印技术及其应用

1.3.1 3D打印技术

1.3.2 3D打印工艺的应用现状与发展趋势

1.3.3 3D打印技术在电子器件上的应用研究

1.4 本文研究内容

第二章 石墨烯

2.1 石墨烯材料简介

2.1.1石墨烯的结构

2.1.2石墨烯的特性

2.1.3 石墨烯氧化物和还原石墨烯氧化物

2.2 石墨烯的制备方法

2.2.1 机械剥离法

2.2.2 化学气相沉积法

2.2.3 氧化还原法

2.3 石墨烯的应用

2.3.1 传感器

2.3.2 电极

2.3.3 场效应管

2.4 本章小结

第三章 石墨烯场效应管与霍尔棒的三维打印工艺研究

3.1 石墨烯场效应管与霍尔棒的结构设计与分析

3.1.1石墨烯场效应管的结构

3.1.2 石墨烯场效应管设计分析

3.1.3 石墨烯霍尔棒器件结构及其电学分析

3.2 氧化石墨烯的合成

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验设备

3.2.3 制备方法

3.3 墨水制备与打印工艺研究

3.3.1 制备石墨烯墨水浆料

3.3.2 石墨烯样品器件打印

3.3.3 氧化石墨烯墨水打印过程分析

3.4 本章小结

第四章 石墨烯样品器件烧结工艺及其导电性能研究

4.1 烧结工艺

4.2 石墨烯样品烧结器件测试分析

4.2.1 石墨烯样品烧结后的SEM微观形貌

4.2.2 不同烧结温度的rGO导线XPS与热重测试分析

4.3 石墨烯霍尔棒器件电学性能测试

4.3.1 霍尔棒器件石墨烯沟道的电流-电压特性

4.3.2 石墨烯霍尔棒器件沟道电阻

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文