基于碳纳米管－石墨烯复合结构的低功耗热喷印系统基础研究

Based on the previously achieved thermal jet printhead prototype with microbubble generator using carbon nanotubes as heating elements whose power consumption is only in the order of microwatt,this project proposes to construct carbon nanotube-graphene hybrid structure in the printing system through the replacement of traditional metal by graphene. With the corresponding full-carbon-made microbubble generator and temperature sensor, a novel lower-power-consumption thermal printing system with micro-environment monitoring can be obtained. Fundamental theoretical, experimental research on the carbon hybrid structure and the printing system will be conducted. The scope of the main work includes: (1) Theoretically analyze the atomic topological states at the boundary and interface of the carbon hybrid structure, carrier transportation mechanism and their thermal properties.(2) Combined with the experimental study on the characteristics and micro analysis of the carbon hybrid structure, reveal the physical relationships between its macro electrical property，micro structure, boundary morphorology and interface status. (3)Develop a controllable process to pattern graphene and nano-assemble the carbon hybrid structure; design and fabricate the novel printhead structure.(4) Study the reaction behavior between the property variation of the carbon hybrid structure and the thermal fluctuation of the printing microenvironment through the monitoring of its temperature distribution by spreaded sensor displacement, so as to seek evidence for the future feedback printing control strategy. The proposed carbon nanotube-graphene hybrid structure and forseeable deliverables contributed by this project have generally meaningful value to the scientific research and practical application of low dimensional carbon nanomaterial.

基于前期的研究成果-微瓦级功耗的碳纳米管微气泡发生器热喷印技术，本项目以石墨烯取代传统金属电极，基于碳纳米管-石墨烯复合结构构建全碳材料的新型微气泡发生器和温度传感器，开展碳纳米管-石墨烯复合结构及其新型低功耗热喷印系统的基础理论、实验分析及集成工艺的研究。主要研究内容包括：对碳纳米管-石墨烯复合结构的边/界面原子拓扑结构、载流子输运及其温度特性进行系统的理论分析；结合对复合结构的微观测试分析和特性的实验研究，建立其宏观电特性与微观结构形态、边界形貌、界面状态的物理关联；研究图形化石墨烯的制备工艺和构建复合结构的纳米组装工艺，设计制备合适的喷印头结构；通过配置温度传感器监测喷印微环境的温度分布，研究微气泡发生器复合结构的性能变化与微环境热扰动的相互影响，为喷印的反馈控制提供依据。本项目提出的碳纳米管-石墨烯复合结构及相关研究成果，对促进碳纳米材料的应用具有普遍意义的科学研究和实际应用价值。

喷印可提供非接触的多种液体组分如生物的、电子的、结构的等的微分配，为构建具有复杂功能的集成系统提供了一种自下而上的先进制造技术，具有广泛的应用前景。本项目提出了一种以碳纳米管为加热元件、石墨烯为电极的低维全碳材料的微气泡发生器和配置有碳纳米管温度传感器的热喷印系统，开展了碳纳米管-石墨烯复合结构及其在热喷印环境应用中相关的基础理论、实验分析和集成工艺的研究，研制出了热喷印头原型。.项目通过第一性原理计算对碳纳米管-石墨烯复合结构的电子输运特性包括电子透射系数、电子输运路径、电流密度以及I-V特性进行了理论研究，探讨了碳纳米管直径、碳纳米管和石墨烯的边界面原子分布、温度等因素的影响。.提出并研究出预先图形化铜镍薄膜基底上的石墨烯CVD生长工艺，并结合介电电泳定位碳纳米管的技术研究出两种构建低接触电阻的碳纳米管-石墨烯复合结构的微纳加工工艺。研制的热喷印头由制备在玻璃基底上的基于碳纳米管-石墨烯复合结构的微气泡发生器和基于碳纳米管-金属结构的温度传感器阵列及硅基微流体结构组成，每个喷印单元包含两个微气泡发生器和两个温度传感器。项目提出并研究出一种以PDMS填充深沟槽的表面平坦化硅基ICP刻蚀和以石墨烯薄膜碎片为中间层的硅-玻键合等关键工艺，研究出与硅IC工艺兼容的热喷印头集成工艺。.研制了热喷印头的测试系统，通过喷印头内集成的传感器对温度的探测揭示了喷印单元微环境在气泡产生和喷液过程中的热交换特性：在液-气相变之前为弱对流，之后为强对流；结合微气泡发生器和传感器电热性能的有限元分析，为更高精度喷印的反馈控制和喷印头结构的进一步优化提供了依据。项目研制的热喷印头原型单元实现了基于双气泡阀的喷液，单个液滴体积~0.03pL，对应喷印精度~600dpi，最小输入功率为822μW，喷嘴直径为10μm。.本项目取得的研究成果为碳低维纳米复合结构的其他应用及全碳电子器件的构建提供了理论和实验的基础，对促进碳纳电子器件的发展具有一定的普遍意义和实用价值。

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