ACS Appl. Mater. Interfaces：用于可持续碳基电子产品的离子结合、可降解纳米纤维素晶体基板
可持续的电子产品由于将设备技术和谐地融入生态环境而获得了极大的关注，这在很大程度上依赖于设备组件的可回收或可降解能力。目前，只有10~20%的电子垃圾得到有效回收，无法避免有害化学物质和有毒金属向环境的积累。纤维素基功能材料在可持续电子产品领域得到广泛研究，这主要得益于纤维素丰富的储量以及易加工、机械强度高和可生物降解等特性。例如，纤维素纸或纳米纤维素已被用作高功率变压器的介电层。然而，由于材料选择的限制，纸基材和纳米纤维素介质在用于完全可回收电子产品时只显示出中等的电学性能。
基于此，来自韩国科学技术大学的Yongho Joo团队设计了一种由纤维素复合材料和碳基材料组成的可持续电子系统，有效解决了上述设备回收的问题。特别地，涂覆晶体纳米纤维素(CNC)和钠盐的纤维素膜滤纸(CFP)不仅能够作为坚固的介电基板，而且能够稳定支撑碳基活性材料的沉积。通过改变沉积的盐量可调节衬底的介电特性，最终在−0.5 V的低栅电压下，晶体管的通流性能达到47.8 μA，开/关比达到>102。此外，可持续的电子产品显示出在5个循环中的重复回收能力以及在环境条件下超过30天的稳定运行。
如Fig. 1所示，本研究设计的器件结构是一个离子门控的纸质薄膜晶体管(TFT)，具体描述如下:(1)CFP和CNC的复合材料作为电介质基板，(2)掺杂离子导体(盐)和(3)半导体单壁碳纳米管(s-SWCNTs)作为半导体层的活性材料，(4)石墨烯电极作为后栅以及源。特别地，基板通常占据设备总质量的99%以上，本研究采用生物可降解的纤维素基材料，既可以提供优异的介电性能，也可以提供良好的便携性和坚固性。此外，在简单的真空抽滤过程中，CFP的多孔结构(孔径约为0.2 μm)可轻松实现s-SWCNTs活性层在顶部均匀可控的沉积。
Fig. 1. Schematic illustration of a sustainable electronic device structure with the active layer of s-SWCNTs and the source-drain-gate made of graphene on the CFP substrate-activated dielectric coating layer CNC.
Fig. 2. (A) Scanning electronic microscopy (SEM) images (scale bar in 10 μm) with the corresponding schematic presenting the packaging alignment and (B) atomic force microscopy (AFM) characterization with line-profile roughness of a CNC film (on CFP) with respect to the molar concentration of the added salt (10−5, 10−4, 10−2, 10−1, and 100 M NaCl), (C) transmission electron microscopy (TEM) images of CNC at 10−4 M NaCl low and (D) high magnification, (E) X-ray diffractometry (XRD) patterns and (F) NaCl molarity-dependent intensity of characteristic XRD peaks of the CNC film (on CFP)
Fig. 4. (A) Schematic of the sustainable device systems, illustrating carbonaceous removal, separation by the ATPE method, recollecting, and remaking devices. (B) SEM and TEM images of a new s-SWCNTs and recycled s-SWCNTs, showing the morphology of s-SWCNT. The UV−Vis spectra of recycled carbonaceous materials within five iterations of the recycling process for (C) s-SWCNTs and (D) graphene. (E) Subthreshold curves of the transistor from the new to the recycled device at a channel size of 5 mm × 3 mm. (F) Stability over a month of the sustainable device storage under ambient conditions.
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.2c10437
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