具有垂直设计结构及基于给体-受体的有机半导体材料的高电流OTFT装置制造方法及图纸

本文描述了包含杂环有机化合物的电子装置。更具体地，本文描述了与给体‑受体有机半导体组合的有机电子系统，以及制造所述装置的方法，及其用途。

High current OTFT device with vertical design structure and donor acceptor based organic semiconductor materials

【技术实现步骤摘要】
具有垂直设计结构及基于给体-受体的有机半导体材料的高电流OTFT装置背景
本文描述了包含杂环有机化合物的电子装置。更具体地，本文描述了与给体-受体有机半导体组合的有机电子系统，以及制造所述装置的方法，及其用途。
技术介绍
对有机电子装置的极大兴趣引起了对有机半导体装置的广泛研究，例如有机发光二极管、有机场效应晶体管(OFET)，有机化学传感器和聚合物太阳能电池。有机半导体装置可以开启制造工艺和应用的全新范例。如果有机半导体可从溶液中沉积出来，则可以设想能显著降低它们的无机对应物(例如硅)的成本，因为这能够实现快速、大面积的制造路线，如旋涂、喷墨印刷、凹版印刷、转移印刷和其他印刷工艺，并且可以应用于智能卡、安全标签、低成本传感器、以及平板显示器底板中的开关元件。新开发的一次性产品，例如有机射频识别(RFID)装置可以附接于物品的包装。挠性有机电子装置可以是可绕卷的并且应用于非平面表面。挠性电子装置的关键部件之一是场效应晶体管(FET)，其是一种在同一平面上具有源电极和漏电极的水平装置。在“截止(off)”状态，在FET中的源电极与漏电极之间不存在载流子沟道累积，而在“导通(on)”状态，电流在源电极与漏电极之间流动并且受施加于栅电极的栅电压控制。这样的装置通常以累积模式运行，其中栅偏置在绝缘体-半导体界面处引发了载流子沟道。在有机场效应晶体管(OFET)的情况中，用于表征它们的有用性的两个参数是导通状态和截止状态之间的电流比(导通/截止比)和场效应迁移率。到目前为止，OFET显示出低的电流输出，这是因为由于分子之间的波函数重叠弱并且薄膜无序而具有固有的低的载流子迁移率。低的载流子迁移率也大大地将工作频率限制在100kHz以下。再者，OFET往往不稳定，因为传导沟道被限制在半导体-介电界面处的少数单层，而其中吸附的氧、湿气和其他化学物质可对晶体管特性产生巨大影响。为了获得期望的电流输出，常需要以超过20伏的电压来运行OFET。在过去的十年中，已经通过增加迁移率，减小栅极电介质厚度和减小沟道长度，来极大地努力改进场效应晶体管的性能。然而，仍然需要在低电压下提供高的相对电流密度的OFET装置。
技术实现思路
本文描述了包含杂环有机化合物——例如稠合噻吩化合物——的聚合物组合物，其制备方法及其用途。本文所述的组合物和方法相比于现有技术的组合物和方法具有许多优势。例如，本文所述的取代稠合噻吩组合物可以比类似的未取代的噻吩组合物溶解性更高及更适于加工。包含本文所述的稠合噻吩部分的聚合物和低聚物可以使用常规的旋涂操作来进行加工。另外，本文所述的组合物可以在基本上不含β-H的条件下来制备，从而显著改进组合物的氧化稳定性。在一些实施方式中，一种装置包括：基材；集电极层；相对于集电极正偏置的发射极层；包括具有开口的金属层的金属栅格，所述金属栅格位于集电极与发射极之间但不与集电极和发射极直接接触，其中，每个开口沿着其最长尺寸的长度为约50nm至约800nm；以及位于集电极和发射极之间的半导体层，所述半导体层包括具有以下结构的有机半导体聚合物：其中，每个D是独立选定的具有5至50个骨架原子的共轭给电子芳族或杂芳族基团，并且每个D基团任选地被一个或多个给电子取代基或吸电子取代基取代，条件是即使是被取代时，每个D的电子特性仍是给电子的；每个A是独立选定的具有5至50个骨架原子的共轭受电子芳族或杂芳族基团或是被一个或两个吸电子取代基取代的亚乙烯基，每个A任选地被一个或多个给电子取代基或吸电子取代基取代，条件是即使是被取代时，每个A的电子特性是受电子的；a和b各自为1至4的整数，并且n是2至10,000的整数。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，每个D独立地为表1中的化合物。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，每个A独立地为表2中的化合物。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述有机半导体聚合物由表3中列出的聚合物之一组成。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，R1、R2、R3、R4和R6中的一个或多个是任选取代的C15-C35烷基。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，R1、R2或R3中的一个或多个可以是任选取代的C15-C35烷基。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，R1或R2各自独立地为任选取代的C15-C35烷基。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，R1或R2各自独立地为具有至少一个支化点的任选取代的C15-C35烷基。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，每个R1或R2独立地为具有至少一个支化点的任选取代的C15-C35烷基，其中所述支化点离基础分子至少4个碳。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，至少一个D是：其中，每个X独立地为NR6、S、Se或O；并且每个R1独立地为氢、C1-C40烷基、C1-C40烯基、C1-C40炔基、C1-C40烷氧基、C1-C40环烷基、C1-C40芳基、C1-C40杂芳基、C1-C40杂环烷基、C1-C40共轭基团——其中的任何一种可以被任选取代、或卤素；并且每个R6独立地为氢、C1-C40烷基。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，至少一个A为：其中每个x独立地为NR5、S、Se或O；每个R5独立地为氢、C1-C40烷基。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，A为：并且D为：其中，每个X独立地为NR6、S、Se或O；并且每个R1独立地为氢、C1-C40烷基、C1-C40烯基、C1-C40炔基、C1-C40烷氧基、C1-C40环烷基、C1-C40芳基、C1-C40杂芳基、C1-C40杂环烷基、C1-C40共轭基团——其中的任何一种可以被任选取代、或卤素；并且每个R6独立地为氢、C1-C40烷基。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，每个R1独立地为具有至少一个支化点的任选取代的C15-C35烷基。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述集电极包含金属，例如铝。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述发射极包含透明导电氧化物，例如氧化铟锡，或者有机聚合物，例如掺杂有聚苯乙烯磺酸的聚(3,4-乙二氧撑噻吩)。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，金属栅格中的开口为大致圆形的开口，并且最长尺寸的长度为100nm至800nm或200nm至500nm。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，金属栅格的金属层包含铝。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述有机半导体聚合物为：式中n是2至10000。在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述集电极层被构造成对于低于1.5V的工作电压其具有至少100mA/cm2的输出电流密度。在一些实施方式中，制造本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，所述装置包括：/n基材；/n集电极层；/n相对于集电极正偏置的发射极层；/n金属栅格，其包含具有开口的金属层，所述金属栅格位于集电极与发射极之间但不与集电极和发射极直接接触，其中，每个开口沿着其最长尺寸的长度为约50nm至约800nm；以及/n位于集电极与发射极之间的半导体层，所述半层体层包含具有以下结构的有机半导体聚合物：/n

【技术特征摘要】
1.一种装置，所述装置包括：
基材；
集电极层；
相对于集电极正偏置的发射极层；
金属栅格，其包含具有开口的金属层，所述金属栅格位于集电极与发射极之间但不与集电极和发射极直接接触，其中，每个开口沿着其最长尺寸的长度为约50nm至约800nm；以及
位于集电极与发射极之间的半导体层，所述半层体层包含具有以下结构的有机半导体聚合物：



其中，每个D是独立选定的具有5至50个骨架原子的共轭给电子芳族或杂芳族基团，并且每个D基团任选地被一个或多个给电子取代基或吸电子取代基取代，条件是即使是被取代时，每个D的电子特性仍是给电子的；每个A是独立选定的具有5至50个骨架原子的共轭受电子芳族或杂芳族基团或是被一个或两个吸电子取代基取代的亚乙烯基，每个A任选地被一个或多个给电子取代基或吸电子取代基取代，条件是即使是被取代时，每个A的电子特性是受电子的；a和b各自为1至4的整数，并且n是2至10,000的整数。


2.如权利要求1所述的装置，其中，每个D独立地为以下一种：






其中，每个x独立地为NR6、S、Se或O；每个R1独立地为氢、C1-C40烷基、C1-C40烯基、C1-C40炔基、C1-C40烷氧基、C1-C40环烷基、C1-C40芳基、C1-C40杂芳基、C1-C40杂环烷基、C1-C40共轭基团——其中的任何一种可以被任选取代、或卤素；每个R5独立地为氢、C1-C40烷基、C1-C40烯基、C1-C40烷氧基、C1-C40环烷基、C1-C40芳基、C1-C40杂芳基或C1-C40共轭基团——其中的任何一种可以被任选取代；并且每个R6独立地为氢、C1-C40烷基。


3.如权利要求1所述的装置，其中每个A独立地为以下一种：






其中，每个x独立地为NR5、S、Se或O；每个R2独立地为氢、C1-C40烷基、C1-C40烯基、C1-C40炔基、C1-C40烷氧基、C1-C40环烷基、C1-C40芳基、C1-C40杂芳基、C1-C40杂环烷基、C1-C40共轭基团——其中的任何一种可以被任选取代、或卤素；每个R3独立地为氢、C1-C40烷基、C1-C40烯基、C1-C40烷氧基、C1-C40环烷基、C1-C40芳基、C1-C40杂芳基、或C1-C40共轭基团——其中的任何一种可以被任选取代；每个R4独立地为氢、C1-C40烷基、氰基、酯或羧酸；并且每个R6独立地为氢、C1-C40烷基、氰基、酯或羧酸。


4.如权利要求2或权利要求3所述的装置，其中，R1、R2、R3、R4和R6中的一个或多个是任选取代的C15-C35烷基。


5.如权利要求4所述的装置，其中，R1、R2、R3或R4中的一个或多个是具有至少一个支化点的任选取代的C15-C35烷基。


6.如权利要求5所述的装置，其中，R1、R2或R3中的一个或多个可以是任选取代的C15-C35烷基。


7.如权利要求6所述的装置，其中，每个R1或R2独立地为任选取代的C15-C35烷基。


8.如权利要求7所述的装置，其中，每个R1或R2独立地为具有至少一个支化点的任选取代的C15-C35烷基。


9.如权利要求8所述的装置，其中，每个R1或R2独立地为具有至少一个支化点的任选取代的C15-C35烷基，其中所述支化点离基础分子至少4个碳。


10.如权利要求1所述的装置，其中，至少一个D为：



其中，每个X独...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺明谦，R·G·曼利，K·梅赫罗特拉，孟心飞，冉晓雯，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，财团法人交大思源基金会，
类型：发明
国别省市：美国;US