一种垂直结构的有机电化学晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种垂直结构的有机电化学晶体管及其制备方法，所述垂直结构的有机电化学晶体管为顶栅垂直结构，从下往上依次为基底、漏电极、有源层、网状源电极，电解质层和栅电极。其制备方法包括以下步骤：1）在具有图案化漏电极的基底上通过旋涂工艺沉积聚合物导电薄膜并退火，制得有源层；2）在有源层上通过旋涂工艺沉积网状源电极薄膜并退火；3）在网状源电极上通过旋涂或刮涂工艺沉积聚合物离子凝胶电解质并退火，制得电解质层；4）在电解质层上通过热蒸镀的方法制备栅电极，得到垂直结构的有机电化学晶体管。该方法制备的有机电化学晶体管可以缩小器件尺寸，提高器件性能，扩展其应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种垂直结构的有机电化学晶体管及其制备方法
本专利技术属于电子材料及器件
，具体涉及一种垂直结构的有机电化学晶体管及其制备方法。
技术介绍
有机电化学晶体管最重要的性能参数是跨导，其决定了器件对输入信号的放大程度。在此方面，与其他电解质栅场效应晶体管相比，有机电化学晶体管拥有更高的跨导值。根据Bernards模型，对于耗尽型的有机电化学晶体管而言，其跨导值与有源层的材料及器件的几何形状密切相关。到目前为止，有机电化学晶体管的有源层材料已经得到深入的研究。大量的工作致力于优化有源层的微纳米尺度下的形貌和结构进而改善器件性能，这些方法主要有添加共同溶剂添加剂，侧链/分子设计工程以及离子液与有源层材料共混策略等。尽管这些方法有效改善了有机电化学的输出电流，跨导和响应速度，然而进一步的优化严重限制于本征的器件几何结构。由于有机电化学晶体管的体电荷传输特性，该器件的性能显著限制于器件的几何结构，包括沟道的宽、长以及厚度。因此，已有相关报道，可通过最大化沟道宽度，最小化沟道长度以及增加导电聚合物的厚度来改善器件性能。但是，增加沟道宽度带来大的器件维度，降低器件的集成密度。同时相对厚的导电聚合物薄膜会导致低的响应速度，限制器件在高频领域的应用。因此，减小沟道尺寸是一种有效的方法优化器件性能。然而，为了取得纳米尺寸的沟道长度，往往需要高分辨率的光刻技术、复杂的工艺以及伴随着短沟道效应。因此，通过简单的策略缩短沟道长度至几十纳米尺寸仍然面临着严峻的挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种垂直结构的有机电化学晶体管及其制备方法，以缩小器件尺寸，提高器件性能，扩展其应用范围。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种垂直结构的有机电化学晶体管，其特征在于，所述垂直结构的有机电化学晶体管为顶栅垂直结构，从下往上依次为基底、漏电极、有源层、网状源电极，电解质层和栅电极。进一步地，所述基底所用材料为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷。进一步地，所述漏电极所用材料为氧化铟锡、金、铝或银，其厚度为50-100nm。进一步地，所述有源层所用材料为聚合物导体或半导体材料，所述有源层通过旋涂工艺沉积制成，其厚度为100-600nm。进一步地，所述聚合物导体材料为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸或3-己基取代聚噻吩。进一步地，所述网状源电极所用材料为银纳米线或碳纳米管，所述网状源电极通过旋涂工艺沉积制成。进一步地，所述电解质层所用材料为聚合物离子凝胶电解质，其厚度为1-2μm。进一步地，所述聚合物离子凝胶电解质是将聚丙烯腈和双三氟甲基磺酰亚胺锂共混物溶于碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的混合溶剂制得。进一步地，所述栅电极所用材料为金、铝或银，其厚度为50-100nm。本专利技术还提供了一种垂直结构的有机电化学晶体管的制备方法，包括以下步骤：（1）在具有图案化漏电极的基底上通过旋涂工艺沉积有源层薄膜并退火，制得有源层；（2）在步骤（1）得到的有源层上通过旋涂工艺旋涂网状源电极薄膜并退火；（3）在步骤（2）得到的网状源电极上通过旋涂或刮涂工艺沉积聚合物离子凝胶电解质并退火，制得电解质层；（4）在步骤（3）得到的电解质层上通过热蒸镀的方法制备栅电极，得到垂直结构的有机电化学晶体管。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：通过本专利技术所提供方法制备的有机电化学晶体管，其沟道长度从微米量级缩短至纳米尺度，突破了传统工艺对尺寸的限制，大大缩小了器件尺寸，有效提高了器件的性能，包括跨导和响应速度。同时，本专利技术的制备方法操作简单，成本低，有利于推广运用，具备显著的经济和社会效益，且得到的有机电化学晶体管展示出了超高的跨导值和快速的响应，使其在生物电化学传感方面的应用具有重大的潜力，适用于生物化学传感、人工突触及大规模集成电路等领域。附图说明图1是本专利技术实施例的有机电化学晶体管的结构示意图。图2是本专利技术实施例1制备的有机电化学晶体管的转移特性和跨导曲线。图3是本专利技术实施例1制备的有机电化学晶体管的瞬态特性。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提供一种垂直结构的有机电化学晶体管，如图1所示，所述有机电化学晶体管为顶栅垂直结构，从下往上依次为基底100、漏电极110、有源层120、网状源电极130，电解质层140和栅电极150。其中，所述基底100所用材料为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）。所述漏电极110所用材料为氧化铟锡（ITO）、金、铝或银，其厚度为50-100nm。所述有源层120所用材料为聚合物导体或半导体材料，所述聚合物导体材料为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）或3-己基取代聚噻吩（P3HT），所述有源层通过旋涂工艺沉积制成，其厚度为100-600nm。所述网状源电极130所用材料为银纳米线或碳纳米管，所述网状源电极通过旋涂工艺沉积制成。所述电解质层140所用材料为聚合物离子凝胶电解质，所述聚合物离子凝胶电解质是将聚丙烯腈和双三氟甲基磺酰亚胺锂共混物溶于碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯的混合溶剂制得，其厚度为1-2μm。所述栅电极150所用材料为金、铝或银，其厚度为50-100nm。本专利技术还提供了上述垂直结构的有机电化学晶体管的制备方法，包括以下步骤：（1）在具有图案化漏电极的基底上通过旋涂工艺沉积有源层薄膜并退火，制得有源层；（2）在步骤（1）得到的有源层上通过旋涂工艺旋涂网状源电极薄膜并退火；（3）在步骤（2）得到的网状源电极上通过旋涂或刮涂工艺沉积聚合物离子凝胶电解质并退火，制得电解质层；（4）在步骤（3）得到的电解质层上通过热蒸镀的方法制备栅电极，得到垂直结构的有机电化学晶体管。下面以实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术不限于这些实施例。实施例11）将已图案化的ITO玻璃（1.5cm×1.5cm尺寸），经丙酮、乙醇、蒸馏水（三次）清洗，再用氮气吹干后得到干净的玻璃做基底；2）将PEDOT:PSS的分散液使用1000rpm（60s）的转数旋涂制备有源层，后在120℃条件下退火1h，膜厚约为200nm；3）在步骤2）所得的PEDPT:PSS薄膜上将溶度为1mg/ml的银纳米线溶液使用2000rpm（60s）的转数旋涂制备网状源电极，后在120℃条件下退火10min；4）制备离子凝胶电解质：将聚丙烯腈、双三氟甲基磺酰亚胺锂、碳酸乙烯酯和碳酸丙烯酯按质量比为14.1:3.9:41:41混合并使用90℃水浴加热并搅拌至澄清、透明的胶状凝胶态；5）使用注射器将步骤4）制备的电解质凝胶铺满硅片，然后用低速500rpm（5s），高速3500rpm（45s）的旋涂转数使溶液形成均匀的膜，再将硅片移入真空干燥箱室温静置10h形成1μm的电解质层。6）采用热蒸发的方式利用专用掩膜版在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直结构的有机电化学晶体管，其特征在于，所述垂直结构的有机电化学晶体管为顶栅垂直结构，从下往上依次为基底、漏电极、有源层、网状源电极，电解质层和栅电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种垂直结构的有机电化学晶体管，其特征在于，所述垂直结构的有机电化学晶体管为顶栅垂直结构，从下往上依次为基底、漏电极、有源层、网状源电极，电解质层和栅电极。


2.根据权利要求1所述的一种垂直结构的有机电化学晶体管，其特征在于，所述基底所用材料为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷。


3.根据权利要求1所述的一种垂直结构的有机电化学晶体管，其特征在于，所述漏电极所用材料为氧化铟锡、金、铝或银，其厚度为50-100nm。


4.根据权利要求1所述的一种垂直结构的有机电化学晶体管，其特征在于，所述有源层所用材料为聚合物导体或半导体材料，所述有源层通过旋涂工艺沉积制成，其厚度为100-600nm。


5.根据权利要求4所述的一种垂直结构的有机电化学晶体管，其特征在于，所述聚合物导体材料为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸或3-己基取代聚噻吩。


6.根据权利要求1所述的一种垂直结构的有机电化学晶体管，其特征在于，所述网状源电极所用材料为银纳米线或碳纳米管，所述网状源电极通过旋涂工艺沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈惠鹏，严育杰，郭太良，陈耿旭，陈奇珍，巫晓敏，柯钰丹，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35