一种用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料及其制备方法，包括以下步骤：1)制备氧化镧前驱体溶液；2)制备氧化镧介电层薄膜：将步骤1)制得的氧化镧前驱体溶液过滤后，在衬底上旋涂氧化镧前驱体溶液，得到氧化镧前驱体薄膜；3)将步骤2)得到的样品依次进行预退火处理、热处理和臭氧活化处理后，得到氧化镧介电层，即得到高介电栅介质材料。本发明专利技术所述的高介电栅介质材料氧化镧介电层具有高介电常数以及宽能带，能有效地降低器件所需的工作电压；且其采用溶液法制备，能够在低温下生成致密性的薄膜，工艺简单，成本较低。本发明专利技术还提供一种采用所述高介电栅介质材料作为介电层的柔性低压驱动有机薄膜晶体管及其制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于有机电子学
，尤其涉及一种用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料及其制备方法与应用。
技术介绍
有机电子柔性器件在过去的20年间受到了学术界和社会工业的广泛关注，是未来柔性电子显示器件的一个重要发展方向，特别是在最近5～10年间，有机电子学在多个应用领域取得了长足的进展，如有机场效应晶体管、有机太阳能电池、生物传感器、TFT阵列、有机发光二极管等。目前有机材料与器件已经由基础研究逐步走向产业化，在应用生产中具有制作工艺简单、可弯曲、多样和成本低等特性；随着器件的处理退火温度越降越低，相对需要的能耗也降低，从而在柔性显示突出了巨大的优势；未来OTFT器件尺寸能做得更小，集成度更高，将会大大提高其运算速率以及计算处理能力。有机薄膜晶体管已经成为一个发展迅速、前途光明的重要研究领域。以有机聚合物为有源层制成的晶体管，其电性能可通过对有机分子结构进行适当的修饰而得到满意的结果；有机物易于获得，有机薄膜晶体管的制作工艺也更为简单，它并不要求严格的控制气氛条件和苛刻的纯度要求，因而能有效地降低器件的成本；全部由有机材料制备的所谓“全有机”的晶体管呈现出非常好的柔韧性，而且质量轻，携带方便。良好的柔韧性进一步拓宽了有机晶体管的使用范围，对器件进行适度的扭曲或弯曲，器件的电特性并没有显著的改变。与现有的非晶硅或多晶硅TFT相比，OTFT具有以下特点：加工温度低，一般在180℃以下，不仅能耗显著降低，而且适用于柔性基板；工艺过程大大简化，成本大幅度降低，气相沉积和印刷打印两种方法都适合大面积加工；材料来源广泛，发展潜力大，同时环境友好。这些特点符合社会发展和技术进步的趋势，因此，它的出现和进展在国际上引起广泛关注，很多大公司和研发机构竞相投入研发，特别是欧洲已形成研发联盟，OTFT的性能(载流子迁移率)以平均每两年提高十倍的速度在发展，目前综合性能已经达到了目前商业上广泛使用的非晶硅TFT水平(0.7cm2/(V·S))。可以说，有机薄膜晶体管将成为新一代平板显示的核心技术。但是目前还存在有待解决的问题：(1)工作电压过高，一般都达5V以上，器件的开启电压过大，造成能量损耗大；(2)溶液法旋涂的介电层退火温度过高，耗能大，退火不干净，导致漏电流过大，开关比相应减小；(3)器件的稳定性和耐电压击穿仍然需要提高。为了实现未来柔性电路中可以应用的高性能OTFT器件，降低工作电压和提高器件载流子迁移率和开关比是学术界和工业界面临的一个巨大的挑战。高K材料由于具有高的介电常数，可以在提供超薄物理厚度的低介电常数材料相同的高电容密度的同时，提供数倍于低介电常数材料的物理厚度，从而可以极大减小栅极的漏电流密度，大大提高器件的稳定性。高K栅介质材料在Si基MOSFET中已经有广泛研究和应用，使用高K材料来降低器件的工作电压但另一方面又不降低器件载流子迁移率，已经成为国内外学术界的一种共识，然而高K材料在有机薄膜晶体管中的研究还非常有限，如何找到一种合适的高K材料，使之与有机材料相匹配，这也是需要研究者挑战的一个重要课题。
技术实现思路
本专利技术为弥补现有技术中存在的不足，提供一种用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料的制备方法。本专利技术为达到其目的，采用的技术方案如下：一种用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料的制备方法，包括以下步骤：1)制备氧化镧前驱体溶液；2)制备氧化镧介电层薄膜：将步骤1)制得的氧化镧前驱体溶液通过0.20～0.25μm的滤嘴过滤后，在衬底上旋涂氧化镧前驱体溶液，得到氧化镧前驱体薄膜；3)将步骤2)得到的样品依次进行预退火处理、热处理和臭氧活化处理后，得到氧化镧介电层，即得到高介电栅介质材料。进一步地，步骤1)所述的氧化镧前驱体溶液以乙酰丙酮镧为溶质，以N,N～二甲基甲酰胺为溶剂，并在75～85℃的水浴加热中搅拌反应6～8h配制而成，其摩尔浓度为0.05％～0.1％。进一步地，步骤3)中在155～170℃下预退火处理8～10min；然后加热到155～170℃，在空气环境中退火60～100min；退火完毕的薄膜在紫外臭氧下处理5～10min。本专利技术还提供一种通过上述制备方法制得的用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料。相比于现有的二氧化硅介电层，本专利技术所述的高介电栅介质材料氧化镧介电层具有高介电常数以及宽能带，能有效地降低器件所需的工作电压，使其成为一种优异的绝缘介电材料。且其采用溶液法制备，能够在低温下生成致密性的薄膜，工艺简单，成本较低。本专利技术还提供一种柔性低压驱动有机薄膜晶体管，包括衬底；在衬底上表面依次层叠有底栅电极、介电层、界面修饰层、有源层和源漏电极；所述衬底为柔性PET衬底；所述介电层为氧化镧薄膜，其采用溶液法通过旋涂工艺制备而成。二氧化硅作为上一代MOSFET的介电层，在应用中得到广泛的关注，本专利技术用氧化镧能够很好地代替二氧化硅成为新的介电层，且溶液法制备氧化镧能够在低温下生成致密性的薄膜，其介电常数(～10)能有效地降低器件所需的工作电压。进一步地，所述有源层材料为并五苯，其通过热蒸发法沉积而成。热蒸发生长的并五苯致密性好，迁移率大。进一步地，所述界面修饰层材料为PαMS，其通过旋涂工艺制备而成。旋涂工艺制备的PαMS薄膜，表面粗糙度小，具有较小的漏电流，可以很好地提高有源层的载流子迁移率，优化器件的保持特性。相比于现有技术，本专利技术所述的柔性低压驱动有机薄膜晶体管具有迁移率大，开关比大，阈值电压低，亚阈值斜率小等优点；且本专利技术采用高介电常数的La2O3和并五苯的有机～无机材料相结合的结构，为有机电子学的发展提供了一种很好的器件设计思路。本专利技术还提供一种柔性低压驱动有机薄膜晶体管的制备方法，包括如下步骤：1)在清洗干净的衬底上沉积底栅电极；2)采用上述高介电栅介质材料的制备方法在步骤1)得到的样品上制备氧化镧介电层；3)制备PαMS界面修饰层：在步骤2)得到的样品上旋涂质量分数为0.1％～0.3％的PαMS的甲苯溶液，再经过热处理得到PαMS薄膜；4)制备并五苯有源层：采用热蒸发法在PαMS薄膜上沉积并五苯有源层；5)在步骤4)得到的样品上沉积源漏电极，得到柔性低压驱动有机薄膜晶体管。进一步地，步骤1)包括以下步骤：1a)选取柔性PET衬底，并裁剪成1.5cm×1.5cm的正方形块；1b)将衬底依次用丙酮、异丙醇、去离子水、乙无水醇进行超声清洗，然后在烘箱中烘干，再经过UV/O3活化处理后保存备用；1c)采用热蒸发法在清洗干净的PET衬底上沉积30～50nm厚的Au底栅电极。进一步地，步骤3)中的热处理温度为100～120℃，热处理时间为8～10min。进一步地，步骤4)中并五苯有源层厚度为30～50nm。进一步地，步骤1)、步骤4)和步骤5)中的沉积工艺均在气压为2×10-4～8×10-4Pa的高真空下进行，沉积速率为0.01～0.03nm/s。相比于现有技术，本专利技术所述的制备方法具有以下优点：(1)采用本专利技术所述制备方法制得的柔性有机薄膜晶体管的迁移率大，开关比大，阈值电压低，亚阈值斜率小；(2)本专利技术所得制备方法的处理温度低，能耗小，同时选择的材料与塑料PET衬底有很好的兼容性，在信息存储，柔性电子学等领域具有广泛的应用前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备氧化镧前驱体溶液；2)制备氧化镧介电层薄膜：将步骤1)制得的氧化镧前驱体溶液通过0.20～0.25μm的滤嘴过滤后，在衬底上旋涂氧化镧前驱体溶液，得到氧化镧前驱体薄膜；3)将步骤2)得到的样品依次进行预退火处理、热处理和臭氧活化处理后，得到氧化镧介电层，即得到高介电栅介质材料。

【技术特征摘要】
1.一种用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备氧化镧前驱体溶液；2)制备氧化镧介电层薄膜：将步骤1)制得的氧化镧前驱体溶液通过0.20～0.25μm的滤嘴过滤后，在衬底上旋涂氧化镧前驱体溶液，得到氧化镧前驱体薄膜；3)将步骤2)得到的样品依次进行预退火处理、热处理和臭氧活化处理后，得到氧化镧介电层，即得到高介电栅介质材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的氧化镧前驱体溶液以乙酰丙酮镧为溶质，以N,N～二甲基甲酰胺为溶剂，并在75～85℃的水浴加热中搅拌反应6～8h配制而成，其摩尔浓度为0.05％～0.1％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中在155～170℃下预退火处理8～10min；然后加热到155～170℃，在空气环境中退火60～100min；退火完毕的薄膜在紫外臭氧下处理5～10min。4.一种用于柔性低压驱动有机薄膜晶体管的高介电栅介质材料，其特征在于：通过权利要求1～3任一项所述的制备方法制备而成。5.一种柔性低压驱动有机薄膜晶体管，包括衬底；其特征在于：在衬底上表面依次层叠有底栅电极、介电层、界面修饰层、有源层和源漏电极；所述衬底为柔性PET衬底；所述介电层为氧化镧薄膜，其采用如权利要求1～3任一项所述的制备方法制备而成。6.根据权利要求5所述的有机薄膜晶体管，其特征在于：所述有源层材料为并五苯，其通过热蒸发法沉积而成。7.根据权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆旭兵，严龙森，龚岩芬，曾敏，刘俊明，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44