一种柔性介电薄膜及由其制备的有机场效应晶体管制造技术

本发明专利技术提供了一种介电材料和介电薄膜，和由所述介电薄膜构筑的柔性有机场效应晶体管(OFET)及制备方法，及其在电子设备领域的应用。本发明专利技术的介电材料和介电薄膜含有聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酸，该介电薄膜的厚度为1～2μm。本发明专利技术的柔性OFET的制备方法为将介电薄膜加工在覆盖有栅极的基底上，之后溶液旋涂有机半导体层，最后蒸镀源漏电极。本发明专利技术的介电薄膜漏电小、介电常数可调、厚度可控、强度/柔性高；介电薄膜及柔性OFET的电学性能好，在低能耗柔性电子器件方面具有良好的应用前景；介电薄膜及柔性OFET的制备方法成本低、工艺简便。

A flexible dielectric thin film and an airfield effect transistor prepared by it

The invention provides a dielectric material and dielectric film, and a flexible organic field-effect transistor (OFET) constructed by the dielectric film, and a preparation method thereof, and its application in the field of electronic equipment. The dielectric material and dielectric thin film of the present invention contain polymethyl methacrylate and polyacrylic acid, the thickness of the dielectric thin film is 1~2 u m. The flexible OFET is prepared by processing the dielectric film on the substrate covered with gate, then coating the organic semiconductor layer with the solution, and finally evaporating the source drain electrode. The invention of the dielectric film leakage, small dielectric constant adjustable and controllable thickness, high strength / flexibility; electrical properties of dielectric film and flexible OFET, has a good application prospect in low energy consumption and flexible electronic devices; the cost of preparation method of dielectric film and flexible OFET low, simple process.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性介电薄膜及由其制备的有机场效应晶体管
本专利技术属于柔性电子学
，具体涉及一种介电薄膜和由所述介电薄膜构筑的有机场效应晶体管及其制备方法，及其在电子设备领域的应用。
技术介绍
近年来，基于柔性衬底的有机电子材料及器件在全球范围内受到广泛关注，它们在柔性显示、电子皮肤、传感器、可穿戴设备等诸多领域都有着良好的应用前景。有机场效应晶体管(Organicfieldeffecttransistor,OFET)作为其中一类重要的柔性电子器件，发展十分迅速，目前已成为有机电子学的研究前沿和热点。与传统的无机晶体管相比，OFET的加工方法更为便捷与多样化，包括Langmuir-Blodgett(LB)膜技术、分子自组装、旋涂、刮涂、喷墨打印、气相沉积、真空蒸镀等制备技术。OFET的主要优点体现在：质量轻，易携带；加工温度较低(一般低于150℃)，使能耗显著降低；适合大面积薄膜加工，简化工艺，大幅降低了成本；易于对有机分子结构设计与修饰，从而改善有机半导体的性质，提高器件性能；有机材料自身的柔韧性使之在适度弯曲或拉伸条件下，仍保持稳定的器件性能。尽管OFET具有以上诸多优点，但依然存在载流子迁移率较低、开启电压大、工作电流低等问题，限制了它们的进一步应用。为了解决这些关键问题，一方面需要发展具有高迁移率的新型有机半导体材料；另一方面，由于OFET的介电层可以有效阻止栅极和半导体层之间产生的漏电流，且在顶栅OFET中也可作为钝化层，同样需要发展高性能的介电材料，使得半导体层与介电层之间形成良好的界面接触，抑制偶极子和陷阱的产生。界面的载流子浓度主要取决于介电材料的介电常数和厚度。理想介电材料的特性是具有高介电常数(k)和高电阻值，能在较低的栅极电压下诱导出更多的电荷，使OFET阈值电压更低；此外，还需要具有高的击穿电压和长期稳定性。传统的高介电常数无机介电材料尽管电容大和稳定性好，然而常需要苛刻的真空沉积或高温工艺；并且无机介电材料的主要缺点是易碎，使之在弯曲时很容易破坏。相比之下，有机介电材料如聚合物由于自身优异的柔韧性、良好的绝缘性以及与有机半导体的界面相容性，因此被认为是发展高性能OFET的另一类有前景的介电材料。在聚合物介电材料中，PMMA是广为使用的一种栅极绝缘体，因为它具有成本低、溶液加工性好、易成膜、绝缘性和透明度高等优势。然而，PMMA的介电常数较低(～3)，需要较高的工作电压才能启动OFET，这也是大多数聚合物介电材料面临的主要局限性。我们知道，低操作电压和低功耗对于用在柔性电子皮肤和可穿戴设备的OFET是必不可少的。因此，特别需要开发具有较高介电常数的新型PMMA类介电层及其柔性低电压OFET器件。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供了一种介电材料，该介电材料为漏电小、介电常数可调、厚度可控、强度高的柔性介电材料。本专利技术所述的介电材料，含有聚甲基丙烯酸甲酯(简写为PMMA)和聚丙烯酸(简写为PAA)。优选地，所述聚丙烯酸占聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸总质量的0.1％～10％。更优选地，所述聚丙烯酸占聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸总质量的1％～7.5％。最优选地，所述聚丙烯酸占聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸总质量的3％。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种介电薄膜，该介电薄膜为漏电小、介电常数可调、厚度可控、强度高的柔性介电薄膜。本专利技术所述的介电薄膜，含有聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酸。优选地，所述聚丙烯酸占聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸总质量的0.1％～10％；更优选地，所述聚丙烯酸占聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸总质量的1％～7.5％；最优选地，所述聚丙烯酸占聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸总质量的3％。优选地，所述介电薄膜的厚度为1～2μm。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种所述介电薄膜的制备方法，该方法采用便捷的溶液制备方法，成本低、工艺简便。本专利技术所述的介电薄膜的制备方法采用旋涂成膜法，由将含有聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸甲酯的溶液制备得到。本专利技术所述的介电薄膜的制备方法，其中，所述含有聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸甲酯的溶液由以下方法制备得到：将聚丙烯酸溶解于异丙醇中，然后加入聚甲基丙烯酸甲酯和丁酮，混匀即得所述含有聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸甲酯的溶液；其中，所述的聚丙烯酸与聚甲基丙烯酸甲酯在溶液中的总浓度为40～80mg/mL；所述聚丙烯酸占聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸总质量的0.1％～10％；所述的异丙醇与丁酮的体积比为1～3:1。优选地，所述的聚丙烯酸与聚甲基丙烯酸甲酯在溶液中的总浓度为55～75mg/mL；所述聚丙烯酸占聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸总质量的1％～7.5％；所述的异丙醇与丁酮的体积比为1～2:1。更优选地，所述的聚丙烯酸与聚甲基丙烯酸甲酯在溶液中的总浓度为65mg/mL；所述聚丙烯酸占聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸总质量的3％；所述的异丙醇与丁酮的体积比为1.5:1。根据本专利技术的再一个方面，提供了一种柔性有机场效应晶体管(简写为OFET)，该柔性OFET具有电学性能好、优异的柔性和弯曲稳定性，其在使用时具有低操作电压、低功耗的优良特性，使其在柔性电子器件领域有广阔的应用前景。本专利技术所述的柔性OFET包括源漏电极、有机半导体层、介电层、栅极和基底，其中，所述的介电层包含所述介电材料、所述的介电薄膜或根据方法制备得到的介电薄膜。作为一种优选的实施方式，所述柔性OFET由源漏电极、有机半导体层、介电层、栅极和基底组成，其中，所述的介电层包含所述介电材料、所述的介电薄膜或根据方法制备得到的介电薄膜。优选地，所述的基底材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二酯(简写为PEN)、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、玻璃或金属箔中的至少一种。更优选地，所述的基底材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯。优选地，所述的栅极材料为氧化铟锡(简写为ITO)、锌铝氧化物(简写为AZO)、金、银、铝或导电高分子材料。优选地，所述导电高分子材料为导电高分子聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)。更优选地，所述的栅极材料为ITO或金。最优选地，所述的栅极材料为ITO。优选地，所述的有机半导体层材料选自有机聚合物半导体材料中的一种。更优选地，所述的有机半导体层材料选自P型有机聚合物半导体材料中的一种。最优选地，所述的有机半导体层材料为P型有机聚合物：引达省并二噻吩(IDT)与苯并噻二唑(BT)的共聚物(简写为PIDT-BT)。优选地，所述的源漏电极的材料选择金、银、铝、ITO、AZO或PEDOT:PSS。更优选地，所述的源漏电极的材料为金。本专利技术所述的有机聚合物半导体材料是指根据载流子运输能力大小来划分，有机半导体对电子输运能力“明显”优于对空穴的输运能力，则定义这种半导体为N型，反之则为P型有机聚合物半导体材料。根据本专利技术的又一个方面，提供了一种OFET的制备方法，该方法采用便捷的溶液制备方法，该方法的能耗小、成本低。本专利技术所述的OFET的制备方法包括下述步骤：(1)将覆盖栅极的基底的表面经紫外臭氧处理后，旋涂含有聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸甲酯的溶液；旋涂结束后，经低温退火处理，即得介电层/栅极/基底组件；(2)将含有有机聚合物半导体材料的溶液旋涂在步骤(1)制备得到的介电层/栅极/基底组件上介电层的表面；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种介电材料，其特征在于，所述介电材料含有聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酸。

【技术特征摘要】
1.一种介电材料，其特征在于，所述介电材料含有聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酸。2.一种介电薄膜，其特征在于，所述介电薄膜含有聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酸。3.根据权利要求2所述的介电薄膜，其特征在于，所述介电薄膜的厚度为1～2μm。4.一种权利要求2或3所述的介电薄膜的制备方法，其特征在于，采用旋涂成膜法，由将含有聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸甲酯的溶液制备得到。5.根据权利要求4所述的介电薄膜的制备方法，其特征在于，所述含有聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸甲酯的溶液由以下方法制备得到：将聚丙烯酸溶解于异丙醇中，然后加入聚甲基丙烯酸甲酯和丁酮，混匀即得所述含有聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸甲酯的溶液；其中，所述聚丙烯酸与聚甲基丙烯酸甲酯在溶液中的总浓度为40～80mg/mL；所述聚丙烯酸占聚甲基丙烯酸甲酯与聚丙烯酸总质量的0.1％～10％；所述异丙醇与丁酮的体积比为1～3:1。6.一种有机场效应晶体管，包括源漏电极、有机半导体层、介电层、栅极和基底，其特征在于，所述介电层包含权利要求1中所述介电材料、权利要求2或3所述的介电薄膜或根据权利要求4或5制备得到的介电薄膜中的至少一种。7.根据权利要求6所述有机场效应晶体管，其特征在于，所述基底材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑庆东，尹志刚，柳子杨，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35