CN100487939C - 以单分子层作为取向传递层的有机场效应管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有机场效应管(OFET)器件及其制备方法。它包括一种可以用来传递取向效果的取向传递层，该种取向传递层作为绝缘层，从而提高有机场效应管载流子迁移率。该绝缘层由硅烷偶联剂对表面进行处理形成的单分子膜，其可以将取向层的取向效果优化并传递给有机层。根据本发明，通过取向传递层对取向效果的传递，可以改善有机分子层的分子排列，使采用该取向层的OFET器件的载流子迁移率得到改善。

Description

以单分子层作为取向传递层的有机场效应管及其制备方法

技术领域

本发明属于有机场效应管(OFET)技术领域，具体涉及一种以单分子层作为取向传递层的有机场效应管及其制备方法。

技术背景

场效应管是利用栅极电压的大小来调节源漏电极间的载流子密度，从而控制沟道电流的通断，形成开关特性的半导体器件。有机场效应管(OFET)是用有机材料充当绝缘层和半导体层的半导体器件，其基本原理和无机场效应管器件基本一致。但相对于无机场效应管而言，具有工艺简单、成本低廉、可制成柔性器件等优点。经过十几年的研究，有机场效应管器件的性能已经逐渐能够和无机器件相媲美[1，2]，但是要达到取代无机器件，并实现产业化的程度，还需要进一步提高性能。目前所报道的性能最高的非单晶有机场效应管器件的迁移率达到1.5cm²V^-1s^-1[2]，这主要依赖于对器件有机层分子排序和结晶化程度的研究[3，4]。而研究者们也开始采用摩擦取向[5，6]、紫外偏振光取向[7]等技术形成绝缘层或者有机传输层各项异性效果，从而使有机分子沿着有利于载流子传输的方向排列，提高器件的载流子迁移率。同时，也有研究者采用L-B单分子层技术形成有机层的有序成膜[8，9]，但是这种方法制备的OFET器件，取向效果不明显，因此对器件的性能改善不大。

虽然目前在取向手段和取向技术方面已经有了很多研究，但是其效果并不明显。摩擦取向虽然取向效果最好，但是由于目前研究中都是对绝缘层或者有机层的接触式摩擦，所以可能会形成灰尘的污染和静电的产生，由此影响器件的成品率，因为沉积绝缘层或有机层的器件不能再进行类似ITO玻璃基板那样彻底的表面清洁处理。而光取向虽然是非接触式的取向手段，但是其取向效果依赖于紫外光的强度和紫外光与绝缘层材料的匹配程度，而且目前的研究都表明光取向效果明显弱于摩擦取向；L-B单分子层成膜技术是一种成膜方式简单、分子排列有序的成膜方式，但其成膜的各项异性效果远远低于摩擦取向和光取向，器件性能也有待提高。

参考文献

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发明内容

本发明目的在于提出一种取向效果好、器件成品率高的有机场效应管及其制备方法。

本发明提出的有机场效应管，由基板、栅极、绝缘层、有机半导体层以及源极和漏极依次排列组成。其中，基板采用玻璃或PET等柔性材料；栅极为氧化铟锡(ITO)薄膜，其上有通过光刻等手段形成的栅极图形，并且具有使用机械磨擦、光刻或激光刻蚀等方式形成的表面各向异性，成为取向层；栅极上为绝缘层，该绝缘层为使用硅烷偶联剂进行表面处理而形成的单分子薄膜层，它能够传递并优化取向层(栅极)的各向异性效果，因此是良好的取向传递层；有机半导体层在取向传递层的影响下形成分子取向。通常该有机半导体层的材料有较宽的晶相温度，即有较高的TNI温度，例如，可使用并五苯、寡聚噻吩等有机材料。

上述器件中，源极和漏极可使用金属制成，如金、银、铝等。

上述器件中，单分子层使用的硅烷偶联剂种类很多。可以是乙烯基类的，如乙烯基三甲氧基硅烷；乙烯基二甲氧基氯硅烷；乙烯基甲氧基二氯硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，乙烯基二乙氧基氯硅烷，乙烯基乙氧基二氯硅烷。也可以丙烯基类、丁烯基类、戊烯基类、已烯基类等。

本发明的有机场效应管的制备方法如下：

(a)在玻璃基板或PET柔性衬底上用通常方法制备ITO薄膜，作为栅极，然后对ITO进行机械摩擦、光刻或激光刻蚀等处理，形成各向异性效果，得到取向层；

(b)使用硅烷偶联剂浸泡基板，通过表面自组装，在取向层上形成单分子层薄膜，得到取向传递层，其能够传递ITO表面的各向异性效果；

(c)在该取向传递层表面形成有机半导体层，该有机层的分子排列受到取向传递层影响而形成分子取向效果。该有机半导体层可以通过蒸镀、旋涂或喷墨打印等多种方式形成。经过加热促进其分子在取向传递层的影响下形成分子取向。

(d)在有机半导体层上形成源极和漏极。封装，即得所需有机场效应管。

上述方法中，使用硅烷偶联剂对基板表面进行处理时，需先对ITO基板进行表面预处理，步骤如下：

(a)用20-80g/mol浓度的NaOH、KOH等溶液浸泡ITO表面；

(b)用浓度为10％～30％的铬酸的氯仿溶液超声处理基板3-10秒。

本发明制备的有机场效应管的结构如图2所示。5表示某种基板，6表示形成各向异性的ITO栅极，7表示单分子层的绝缘层，按照传统的成膜和取向工艺，有机分子取向的形成是通过摩擦绝缘层(PI层)进而影响有机分子沉积获得的，这种方法虽然具有取向效果明显，对器件性能提高较多，但是摩擦取向作为接触式取向技术，会在器件制备过程中引入尘埃，使制作工艺流程变得复杂，尤其对经摩擦后的绝缘层清洗要求较高；而摩擦形成的静电有可能会造成器件失效。由此本发明综合以上两种技术，提出了单分子层传递取向技术，这种方法既可以获得性能超过直接形成的单层有序有机分子薄膜的OFET器件，又可以消除摩擦取向对OFET器件带来的负面影响。在OFET器件中，栅极经过摩擦等方式获得各向异性效果，随后进行清洗达到器件制备的洁净要求。单分子层的形成需要在适当的表面处理之后进行，硅烷偶联剂的硅烷一端可以依次有序固定在ITO基板上，其烷烃则竖直或者统一相对基板成一定角度倾斜，由于其是单分子结构，所以在各向异性的ITO基板表面仍然能够获得各向异性的绝缘层，并且在一定程度上可以对ITO的各向异性效果进行优化。有机半导体材料通过各种方式沉积在绝缘层上，便可以实现有机分子的定向排列和各项异性，取向效果由此实现。

附图说明

图1是一个有机场效应管(OFET)的一个结构图示

图2是单分子层传递取向技术的效果图示

图中标号：1为ITO栅极(取向层)，2为绝缘层(取向传递层)，3为有机半导体层，4为源漏电极，5为基板(玻璃，PET等柔性基板)，6为经摩擦的ITO栅极，7为传递各向异性效果的单分子层。

具体实施方式

下面通过实施里来进一步说明本发明的有机场效应管及其制备方法。但本发明并不只限于实施例范围。

实施例1

1.首先，将经过光刻成型，具有栅极结构ITO的PET基板清洗干净，清洗过程如下：分别使用专用清洗剂(10min)、去离子水(3×10min)、50:8的异丙醇和浓氨水混合溶液(10min)、氯仿(10min)、丙酮(10min)、乙醇(10min)进行超声处理(括号中为处理时间)，再使用乙醇蒸汽薰蒸3min，最后进行UV处理，时间为5min；

2.其次，通过机械摩擦的方法对ITO进行各向异性处理。其中所使用的摩擦材料为YA-18-R型人造丝质绒布，由Yoshikawa Chemical Co.公司提供，该绒布的人造丝前卫平均长度为600μm，平均直径为15μm，纤维密度为3200 thread/cm²。机械摩擦时滚筒转速1500转/分钟，摩擦处理10次以后，用去离子水清洗干净；

3.使用40g/mol浓度的NaOH溶液清洗ITO基板表面，约1分钟；再用铬酸的氯仿溶液(浓度约为20％)浸泡或者超声10秒左右进行表面处理；然后使用乙烯基三乙氧基硅烷浸泡基板，以表面自组装方式进行处理，形成单分子薄膜；

4.随后在其表面进行蒸镀并五苯作为半导体材料，最后蒸镀金作为源漏电极，厚度为40nm和100nm。最后对器件进行封装处理，由此制成有机场效应管(OFET)器件。

实施例2

1.首先，将经过光刻成型，具有栅极结构ITO的玻璃基板清洗干净，清洗过程如下：分别使用专用清洗剂(10min)、去离子水(3×10min)、50:8的异丙醇和浓氨水混合溶液(10min)、氯仿(10min)、丙酮(10min)、乙醇(10min)进行超声处理(括号中为处理时间)，再使用乙醇蒸汽薰蒸3min，最后进行UV处理，时间为5min；

2.其次，通过光刻或激光刻蚀的手段在ITO表面刻划出条纹，形成各向异性；

3.使用30g/mol浓度的NaOH溶液清洗ITO基板表面，约1分钟；再用铬酸的氯仿溶液(浓度约为30％)浸泡或者超声8秒左右进行表面处理；然后使用乙烯基三乙氧基硅烷对基板表面进行处理，形成单分子薄膜；

4.随后在其表面进行蒸镀并五苯作为半导体材料，最后蒸镀金作为源漏电极，厚度为40nm和100nm。最后对器件进行封装处理，由此制成有机场效应管(OFET)器件。

对比例1

制作与实施例进行对比的器件，但与实施例不同，不使用单分子层传递取向方式，而直接使用摩擦取向，即将传统聚酰亚胺薄膜作为绝缘层，使用摩擦取向技术，其中所使用的摩擦装置与实施例中相同。处理完毕以后，使用去离子水清洗干净，然后，蒸镀并五苯有机半导体材料，形成有机半导体传输层，再在低于10^-3pa气压下蒸镀金属金(Au)充当源极和漏极，最后封装，制成有机场效应管器件。

对比例2

制备与实施例进行对比的器件，但与实施例不同，不使用单分子传递取向技术，而直接使用L-B成膜方式形成单分子有机层。在聚酰亚胺薄膜之上，通过L-B成膜方式形成寡聚噻吩(P3HT)的有序单分子层，形成有机半导体传输层，再在低于10^-3Pa气压下蒸镀金属金(Au)充当源极和漏极，最后封装，制成有机场效应管器件。

对比例3

制备与实施例进行对比的器件，但是该器件没有进行任何取向处理。由此观察单分子层传递取向对器件性能的影响。

实验结果的观察：

在实验操作过程和实验结束，我们使用了以下观测手段对器件件性能和成膜特性进行观察：1.使用偏光显微镜观察取向层的各向异性；2.使用原子力显微镜(AFM)观察所成薄膜的表面形貌特征；3.使用KEITHLEY4200半导体特性测试系统评价场效应管的迁移率特性等指标。由上所述，由本发明所形成的用于提高有机场效应管载流子迁移率的单分子层传递取向技术可以形成优良的取向特性，该单分子层可以较好的传递取向的各向异性效果，并将其优化，从而使有机层分子形成取向。因而可以改善有机场效应管载流子迁移率特性。

Claims (4)

1、一种有机场效应管，其特征在于由基板、栅极、绝缘层、有机半导体层以及源极和漏极依次排列组成；其中，基板采用玻璃或PET柔性材料；栅极为ITO薄膜，其上有栅极图形，并且具有表面各向异性，成为取向层；栅极上为绝缘层，该绝缘层使用硅烷偶联剂进行表面处理而形成的单分子薄膜层，它能够传递并优化取向层的各向异性效果，成为取向传递层；有机半导体层在取向传递层的影响下形成分子取向。

2、根据权利要求1所述的有机场效应管，其特征在于所述有机半导体层的材料为并五苯或寡聚噻吩。

3、一种如权利要求1所述有机场效应管的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(a)在玻璃基板或PET柔性衬底上制备ITO薄膜，作为栅极，然后对ITO进行机械摩擦、光刻或激光刻蚀处理，形成各向异性效果，得到取向层；

(b)使用硅烷偶联剂浸泡基板，通过表面自组装，在取向层上形成单分子层薄膜，得到取向传递层；

(c)在该取向传递层表面形成有机半导体层，该有机半导体层的分子排列受到取向传递层影响而形成分子取向效果；该有机半导体层通过蒸镀、旋涂或喷墨打印方式形成；

(d)在有机半导体层上形成源极和漏极，封装，即得所需有机场效应管。

4、根据权利要求3所述的有机场效应管的制备方法，其特征在于使用硅烷偶联剂对基板表面进行处理时，需先对ITO基板进行表面预处理，步骤如下：

(a)用20-80g/mol浓度的NaOH或KOH溶液浸泡ITO表面；

(b)用浓度为10％～30％的铬酸的氯仿溶液超声处理基板3-10秒。

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