Inkjet printed CVD-graphene devices

Abstract

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften hat Graphen in den letzten Jahren großes Interesse in der Forschung geweckt und viele innovative Herstellungsmethoden wurden entwickelt. Um das Potential von Graphen auszunützen, ist es jedoch essentiell, Anwendungen und deren kommerziell relevante Produktionsrouten zu entwickeln. Diese Arbeit beschreibt die Fabrikation von Feld-Effekt-Transistoren aus Chemical-Vapour-Deposition (CVD) Graphen. Inkjetdruck wurde dabei eingesetzt, sowohl um das Graphen zu strukturieren, als auch um dieses elektrisch zu kontaktieren. Zuerst wurde ein Maskierungsschritt des katalytischen Substrats für das Graphenwachstum entwickelt, um klar definierte Graphenstrukturen zu erzeugen. Dann, nach der Überführung dieser Strukturen auf ein isolierendes Material, wurden sie mit inkjetgedruckten Kontakten versehen. Daraus resultierten ausschließlich durch Inkjetdruck geformte Graphen-Feld-Effect-Transistoren (GFETs) mit Channelweiten von 50 -m, die hohe Mobilitätswerte aufwiesen. Die Herstellung von definierten Graphenmustern wurde mittels optischer und Elektronenmikroskopie, Raman Spektroskopie und XPS analysiert. Die erzeugten Transistoren wurden mit Hilfe von elektrischen Transportmessungen charakterisiert. Ladungsträgermobilitäten bei Raumtemperatur von über 2100 cm2 V-1s-1 wurden erzielt. Diese neue Fabrikationsroute, die die hohe Qualität von CVD Graphen mit der Anpassungsfähigkeit des Inkjetdrucks kombiniert, öffnet einen möglichen Weg zu billiger, flexibler, transparenter Elektronik.

Due to its unique properties graphene has become of great interest these past years and many diverse and innovative routes to its synthesis have been realised. However, to implement its potential it is crucial to fabricate devices and to develop a commercially relevant production route. This work demonstrates the fabrication of chemical vapour deposition (CVD) grown graphene-based devices using inkjet printing for both device pattern definition and electrical contact deposition. First a pre-patterning step of the catalyst substrate for graphene growth was developed to yield well defined high quality graphene structures. Secondly, after transfer to an arbitrary insulating substrate, these structures were contacted with inkjet printed leads. As a result high performance graphene field effect transistors (GFETs) entirely defined by a commercial inkjet printer with channel lengths of 50 -m were fabricated. This study examines the patterned graphene growth using optical and electronic microscopy, Raman spectroscopy and XPS. The resultant devices were characterised by electrical transport measurements. Carrier mobilities exceeding 2100 cm2 V-1s-1 at room temperature were realised. This novel device fabrication route, combining CVD growth of high quality graphene and inkjet printing, opens a pathway to the production of high performance, cheap, flexible and transparent electronics.