一种柔性有机薄膜晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性有机薄膜晶体管及其制备方法，依次由柔性基底、栅电极、绝缘层、半导体层和源漏电极构成，柔性基底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或纸；所述栅电极为氧化铟锡薄膜、掺铝氧化锌、银或纳米银线薄膜、导电聚合物PEDOT:PSS或PEDOT:PSS与AgNWs复合薄膜中的一种；绝缘层为聚4‑乙烯基‑苯酚与4,4'‑(六氟异丙烯)二酞酸酐发生酯化反应得到的交联物；半导体层为C8‑BTBT；源漏电极为金或银、或者纳米银线或者PEDOT:PSS。本发明专利技术的柔性有机薄膜晶体管具有高迁移率、低工作电压、理想开关比、良好柔韧性等优点，溶液法制备工艺简单、经济效益好，并可适用于大面积生产。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性有机薄膜晶体管及其制备方法
本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种基于不同栅电极的高迁移率柔性有机薄膜晶体管及其制备方法。
技术介绍
有机薄膜晶体管，具有制备工艺简单、成本低、质量轻、材料来源广、柔韧性良好等优点，是下一代柔性电子技术的研究重点，可广泛应用于面板显示，传感器，人机界面，电子皮肤，可穿戴设备等领域。有机薄膜晶体管概念自20世纪70年代被提出以来，不断地向前发展，基底由刚性转变为柔性，更多的有机材料被设计合成，丰富了材料的选择。柔性有机薄膜晶体管(flexibleorganicthinfilmtransistor)器件的结构一般由基底、栅极、绝缘层、半导体层、源/漏电极构成，由于有机材料与柔性基底具有良好的兼容性，除电极用到氧化铟锡(ITO)，金和纳米银线(AgNWs)等金属材料外，晶体管的其他材料都是有机材料，从而可大规模采用低温能耗小的溶液法制备柔性有机薄膜晶体管。在有机电子学领域，可溶性的材料因其可在室温下或大气环境中通过简单的旋涂、刮涂或喷墨打印的方法形成均一无孔的高质量薄膜，而备受关注，尤其是在商业化生产中，低成本的技术更具优势。有机薄膜晶体管经过三十余年的发展，其中基于一些有机半导体材料的单个晶体管器件性能已超越基于非晶硅的无机晶体管，从而具有实际的应用价值。使用简单易操作的溶液法制备工艺，刚性基底上的有机薄膜晶体管可提供高于10cm2/Vs的器件迁移率,但是在柔性基底上，有机薄膜晶体管的迁移率难以突破10cm2/Vs，本专利技术人分析其原因在于：一方面在于溶液制备方法在柔性基底上沉积高质量的有机薄膜更加困难，另一方面在于有机材料的选取，利用与柔性基底兼容，润湿性良好，不互相反应，溶解性高，空气稳定性好的有机材料是获得高迁移率柔性有机薄膜晶体管的前提，而器件溶液法制备过程中旋涂工艺的优化设置则是关键。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种高迁移率柔性有机薄膜晶体管及其低成本制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种柔性有机薄膜晶体管，依次由柔性基底、栅电极、绝缘层、半导体层和源漏电极构成，所述柔性基底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或纸；所述栅电极为氧化铟锡薄膜、掺铝氧化锌、银或纳米银线薄膜、导电聚合物PEDOT:PSS或PEDOT:PSS与AgNWs复合薄膜；所述绝缘层为聚4-乙烯基-苯酚与4,4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐发生酯化反应得到的交联物PVP-HDA薄膜；所述半导体层为C8-BTBT；所述的源漏电极为金或银、或者纳米银线或者PEDOT:PSS。所述柔性有机薄膜晶体管的制备方法，包括下述的步骤：配置PVP-HDA交联物溶液和C8-BTBT与聚苯乙烯混合物溶液，然后通过旋涂、刮涂、狭缝涂布、喷墨打印或卷对卷印刷的方法分别沉积形成绝缘层和半导体层，最后在半导体层上沉积源漏电极。进一步的，所述PEDOT:PSS与AgNWs复合薄膜采用如下方法制备：配置PEDOT:PSS与二甲基亚砜的混合溶液，二甲基亚砜体积比3％～8％，沉积在纳米银线薄膜上，然后在120～160℃的温度退火处理10～40分钟。进一步的，所述PVP-HDA交联物溶液采用下述方法制备：将HDA溶液滴入有催化剂三乙醇胺的PVP溶液，搅拌反应。进一步的，1gPVP溶质对应加入10～25μLTEA。进一步的，将PVP-HDA交联物溶液通过旋涂、刮涂、狭缝涂布、喷墨打印或卷对卷印刷方法沉积在栅电极上，然后退火处理。进一步的，所述C8-BTBT与聚苯乙烯混合物溶液中C8-BTBT与聚苯乙烯质量比为5:1～20:1。进一步的，采用旋涂、刮涂、狭缝涂布、喷墨打印或卷对卷印刷方法将C8-BTBT与聚苯乙烯混合物溶液沉积在绝缘层上。本专利技术原理及有益效果如下：1)柔性基底PET和PEN透明性良好，加工过程简单，具有机械柔韧性，能较好地阻隔氧气和水汽的渗透。柔性基底与栅电极、绝缘层、半导体层之间有良好兼容性。氧化铟锡、纳米银线可沉积在其基底表面形成光滑的导电薄膜。2)PVP在上述柔性基底上润湿性好，无需紫外臭氧处理即可通过旋涂法形成连续无孔的绝缘层薄膜。但绝缘层若采用单一的PVP，由于羟基的存在，PVP分子本身具有极性，这种极性会对器件性能产生影响，如迟滞现象或阈值电压漂移，采用单一的PVP-PEMEA溶液旋涂得到的薄膜针孔较大。本专利技术采用交联物PVP-HDA，绝缘层粗糙度小(RMS～0.5nm)，没有因相分离导致的小孔，光滑无孔，形成有利于载流子传输的绝缘层-半导体层界面，介电性能更好。相比无机绝缘层，使得本专利技术的有机薄膜晶体管的操作电压低，能耗小，且漏电流密度小于相同厚度的(10nm～400nm)的SiO2无机绝缘层。3)半导体层使用高性能且空气稳定性好的共轭小分子材料C8-BTBT，所制备的晶体管器件在空气中长时间放置后仍有良好的性能。但由于结晶温度低，通过旋涂单一C8-BTBT溶液无法得到连续的薄膜。本专利技术加入PS，PS起到增大混合溶液浓度的作用，同时在离心旋涂时能延缓C8-BTBT的结晶，有利于形成连续且结晶度高的半导体层薄膜。PS在这种亚稳相的薄膜中会发生相分离，沉积到绝缘层-半导体层界面，进一步填充界面处的陷阱，减少缺陷。使得半导体层结晶度好且均一连续，有益于载流子的传输。4)绝缘层PVP-HDA和半导体层采用简单的溶液旋涂法制备。离心旋涂得到的半导体薄膜，相比于传统的中心旋涂方法，成膜更连续，粗糙度小，结晶度高。本专利技术通过优化材料的配方与改善旋涂工艺制备的柔性有机薄膜晶体管，迁移率高(平均迁移率>15cm2/Vs)，操作电压低(|V|<25V)，开关比理想(Ion/Ioff>103)，良好柔韧性。采用简单易操作且低成本的溶液法，通过改良材料配方，优化旋涂工艺，可重复实现大面积高产量制备，对于提高柔性有机薄膜晶体管的性能和实现其实际应用具有重要意义。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术柔性有机薄膜晶体管器件结构示意图；图2为本专利技术实施例1中柔性有机薄膜晶体管的绝缘层PVP-HDA薄膜形貌；图3为本专利技术实施例1中柔性有机薄膜晶体管的半导体层薄膜形貌；图4为本专利技术实施例1中柔性有机薄膜晶体管的转移特性曲线；图5为本专利技术实施例1中柔性有机薄膜晶体管的输出特性曲线；图6为本专利技术实施例2中基于AgNWs/PET基底的有机薄膜晶体管弯折前后的转移特性曲线。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本专利技术做更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。本专利技术所用化学物质的中英文名本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性有机薄膜晶体管，依次由柔性基底、栅电极、绝缘层、半导体层和源漏电极构成，其特征在于，所述柔性基底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或纸；所述栅电极为氧化铟锡薄膜、掺铝氧化锌、银或纳米银线薄膜、导电聚合物PEDOT:PSS或PEDOT:PSS与AgNWs复合薄膜；所述绝缘层为聚4‑乙烯基‑苯酚与4,4'‑(六氟异丙烯)二酞酸酐发生酯化反应得到的交联物PVP‑HDA薄膜；所述半导体层为C8‑BTBT；所述的源漏电极为金或银、或者纳米银线或者PEDOT:PSS。

【技术特征摘要】
1.一种柔性有机薄膜晶体管，依次由柔性基底、栅电极、绝缘层、半导体层和源漏电极构成，其特征在于，所述柔性基底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或纸；所述栅电极为氧化铟锡薄膜、掺铝氧化锌、银或纳米银线薄膜、导电聚合物PEDOT:PSS或PEDOT:PSS与AgNWs复合薄膜；所述绝缘层为聚4-乙烯基-苯酚与4,4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐发生酯化反应得到的交联物PVP-HDA薄膜；所述半导体层为C8-BTBT；所述的源漏电极为金或银、或者纳米银线或者PEDOT:PSS。2.一种权利要求1所述柔性有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括下述的步骤：配置PVP-HDA交联物溶液和C8-BTBT与聚苯乙烯混合物溶液，然后通过旋涂、刮涂、狭缝涂布、喷墨打印或卷对卷印刷的方法分别沉积形成绝缘层和半导体层，最后在半导体层上沉积源漏电极。3.根据权利要求2所述的柔性有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述PEDOT:PSS与AgNWs复合薄膜采用如下方法制备：配置PEDOT:PSS与二...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳军亮，刘天娇，谢朋杉，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43