CN102723276A - 全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法 - Google Patents

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高育龙
顾唯兵
崔铮
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Abstract

本发明公开了一种全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，采用纳米压印技术在柔性基体表面构建出大面积银微网格电极阵列，再通过化学镀方法把微网格电极表面变得更加平整，同时进一步增加导电率。然后采用喷墨打印或气溶胶打印技术将半导体碳纳米管墨水沉积在沟道中，并通过打印技术制备侧栅和高电容介电层。该工艺相对简单，可大规模制备大面积的高性能全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管器件，且侧栅电极结构与传统的顶电极结构相比，可以消除顶电极与介电层之间的兼容性等问题，简化了晶体管的结构，为全印刷柔性逻辑电路的构建及相关应用的研究打下了坚实的基础。

Description

全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体晶体管器件的制备方法，尤其涉及印刷纳米电子领域的制备电子器件的方法。
背景技术
印刷电子技术是最近3年来才在国际上蓬勃发展起来的新兴技术与产业，印刷电子技术的发展已受到全世界人们的广泛关注，成为当今多学科交叉、综合的前沿研究热点。为了构建印刷电子元器件以及开发其相关应用，高性能新型印刷电子墨水的研制成为印刷电子技术最关键的技术之一，使得印刷墨水的制备以及新工艺的开发已成为现代印刷电子领域的热点和难点。印刷半导体电子器件的性能在很大程度上由半导体材料固有的性质决定。然而各种半导体材料在构建不同的印刷电子器件时都会存在一些不足。与其他半导体材料相比，半导体碳纳米管不仅尺寸小、电学性能优异、物理和化学性质稳定性好，而且碳纳米管构建的晶体管等电子元件具有发热量更少以及运行频率更高等优点，同时碳纳米管容易实现溶液化，因此半导体碳纳米管被认为是构建高性能可印刷薄膜晶体管器件最理想的半导体材料之一。这使得印刷碳纳米管电子器件构建，尤其是印刷碳纳米管薄膜晶体管器件的构建及其应用已成为当今科学界研究的热点之一。为了得到高性能印刷电子器件，高性能可印刷半导体碳纳米管的墨水制备和相应的印刷工艺就显得尤为重要。印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管器件和该器件的应用一直是本技术领域的热点和难点。随着各种高质量可印刷碳纳米管的出现和新型印刷工艺的发展，印刷碳纳米管薄膜晶体管器件性能在不断提高，并在朝大面积、柔性化和全印刷方向蓬勃发展。
晶体管由源电极、漏电极、栅电极、有源层和介电层五部分构成，为了得到全印刷碳纳米管薄膜晶体管器件，通常至少需要三种或三种以上可印刷墨水，即电极墨水(如银墨水)、半导体碳纳米管墨水和介电墨水，然后通过现代印刷技术构建出全印刷碳纳米管薄膜晶体管器件。虽然已经有各种电极墨水、半导体碳纳米管墨水和介电墨水，但各种墨水的物理特性相差甚远，使得印刷层之间以及印刷层与基体的兼容性较差，这些都严重影响全印刷柔性薄膜晶体管器件的性能。为了进一步提高全印刷柔性薄膜晶体管器件的电性能，人们一直在努力开发各种高性能的印刷墨水和印刷薄膜晶体管器件的新工艺。目前开发出的一些全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管器件的构建方法，如气溶胶喷墨打印方法、卷对卷和多种印刷技术联用等方法。目前，气溶胶喷墨打印方法是依次在柔性基体上打印银电极、碳纳米管有源层、离子胶介电层和栅电极，但构建的全印刷碳纳米管柔性薄膜晶体管器件的开关比只有100左右。而采用多种印刷技术联用方法构建出器件表现出较优越的性能，如器件开关比在102-104之间，器件工作电压只有2V左右。但这种方法在电极制备过程中需要采用溅射或蒸镀方式先在衬底上沉积金电极，再通过转印技术把金电极转移到柔性基体上，工艺步骤相对复杂。另外碳纳米管是商业化昂贵的高纯半导体碳纳米管，因此在很大程度上限制了这种方法在实际上的应用。其次，通过卷对卷的方式在柔性基体上构建全印刷柔性薄膜晶体管器件，并构建了简单逻辑电路，但印刷薄膜晶体管器件的开关比也普遍不高(只有100左右)，工作电压偏大(约10V左右)。
发明内容
本发明针对现有的全印刷柔性薄膜晶体管制备方法存在的不足，提出了一种新的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，包括：
1)选取柔性衬底；
2)通过纳米压印技术在柔性衬底表面制作银微网格电极阵列，形成源、漏电极沟道；
3)在银微网格电极表面化学镀金属电极；
4)通过气溶胶打印或者喷墨打印技术将碳纳米管墨水沉积在源、漏电极沟道中，形成碳纳米管薄膜；
5)通过印刷技术在源、漏电极的一侧制备栅电极；
6)通过气溶胶喷墨打印技术在碳纳米管薄膜表面沉积介电层，所述介电层与栅电极相接触。
其中，所述的柔性衬底材料包括聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯，但不局限于以上几种柔性基体。
其中，制备栅电极的印刷技术包括纳米压印技术、气溶胶打印技术或者喷墨打印技术。
其中，所述源漏电极的材料包括银、铜、镍或金中的任一种材料，但不局限于这四种金属。
其中，继在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，通过退火、激光烧结或红外加热方法改善碳纳米管薄膜电性能。
其中，所述栅电极的材料为印刷导电材料，包括银、金、铜、镍、碳纳米管或PSS:PEDOT中的任一种材料，但不局限于以上几种。
其中，碳纳米管包括CoMoCat65、CoMoCat76、HiPCO、CG100、CG200和P2中的至少一种材料，但不局限于以上几种。
本发明公开了一种全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，采用纳米压印技术在柔性基体表面构建出大面积银微网格电极阵列，再通过化学镀方法把微网格电极表面变得更加平整，同时进一步增加导电率。然后采用喷墨打印或气溶胶打印技术将半导体碳纳米管墨水沉积在沟道中，并通过打印技术制备侧栅和高电容介电层。该工艺相对简单，可大规模制备大面积的高性能全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管器件，且侧栅电极结构与传统的顶电极结构相比，可以消除顶电极与介电层之间的兼容性等问题，简化了晶体管的结构，为全印刷逻辑电路的构建及相关应用的研究打下了坚实的基础。
附图说明
图1为本发明实施例的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法流程图。
图2为本发明实施例的银微网格电极阵列镀铜前后的对比图。
图3为本发明实施例的银微网格电极阵列镀铜前后的光学照片图和电极高度示意图。
图4为本发明实施例的晶体管器件在打印离子胶(a)前和(b)后的光学照片对比图。
图5中(a)为本发明实施例的晶体管器件的转移曲线和(b)为本发明实施例的晶体管器件的传输曲线。
具体实施方式
下面参照附图，结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1
参见图1至图5，本发明实施例提供的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，包括：
S110，选取柔性衬底；
S120，通过纳米压印技术在柔性衬底表面制作银微网格电极阵列，形成源、漏电极沟道；
S130，在银微网格电极表面化学镀金属电极；
S140，通过打印技术将碳纳米管墨水沉积在源、漏电极沟道中，形成碳纳米管薄膜；
S150，通过印刷技术在源、漏电极的一侧制备栅电极；
S160，通过气溶胶喷墨打印技术在碳纳米管薄膜表面沉积介电层，所述介电层与栅电极相接触。
其中，本实施例的柔性衬底材料为聚酰亚胺，步骤S140中打印技术为喷墨打印技术。
为了进一步提高电极导电率和降低银微网格电极表面的粗糙度，可将电极阵列置于化学镀铜液中浸泡50分钟，在银电极表面形成一层铜模。参见图2和图3，化学镀铜后，银微网格电极阵列的电极颜色由灰白色转为砖红色，且表面粗糙度明显得到改善。
在步骤S150中，制备栅电极的印刷技术可为纳米压印，在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，可通过退火、激光烧结方法改善碳纳米管薄膜电性能。
其中，源、漏电极的材料为铜，制备栅电极的材料为银。
参见图4，插图为晶体管沟道中的印刷的碳纳米管AFM图片，沉积在沟道中的碳纳米管薄膜基本上是由单根或少数几根碳纳米管束组成，碳纳米管可为经过分离纯化后的CoMoCat76，从图中看出，退火前后，碳纳米管的形貌并没有发生明显的改变。
参见图5，全印刷碳纳米管薄膜晶体管的开关比和迁移率分别可以达到4×103以上和1.5cm2/Vs左右，同时工作电压只有1V左右，迟滞现象基本消除。
实施例2
参见图1至图5，由于制备方法与实施例1中所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法相同，故在此不再赘述。不同之处在于本实施例中的柔性衬底材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯，步骤S140中打印技术可为气溶胶喷墨打印技术，在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，可通过红外加热的方法改善碳纳米管薄膜电性能，源、漏电极材料可为银，栅电极材料可为金，碳纳米管薄膜的材料可为经过分离纯化后的CoMoCat65。
实施例3
参见图1至图5，由于制备方法与实施例1中所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法相同，故在此不再赘述。不同之处在于，本实施例中的柔性衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯，步骤S140中打印技术为喷墨打印技术，在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，可通过红外加热的方法改善碳纳米管薄膜电性能。其中，源、漏电极材料可为镍，栅电极材料可为铜，碳纳米管薄膜的材料可为经过分离纯化后的HiPCO。
实施例4
参见图1至图5，由于制备方法与实施例1中所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法相同，故在此不再赘述。不同之处在于，本实施例中的柔性衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯，步骤S140中打印技术为气溶胶喷墨打印技术，在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，可通过激光烧结的方法改善碳纳米管薄膜电性能。其中，源、漏电极材料可为金，栅电极材料可为镍，碳纳米管薄膜的材料可为经过分离纯化后的CG100。
实施例5
参见图1至图5，由于制备方法与实施例1中所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法相同，故在此不再赘述。不同之处在于，本实施例中的柔性衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯，步骤S140中打印技术为喷墨打印技术，在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，可通过红外加热的方法改善碳纳米管薄膜电性能。其中，源、漏电极材料可为金，栅电极材料可为碳纳米管，碳纳米管薄膜的材料可为经过分离纯化后的CG200。
实施例6
参见图1至图5，由于制备方法与实施例1中所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法相同，故在此不再赘述。不同之处在于，本实施例中的柔性衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯，步骤S140中打印技术为喷墨打印技术，在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，可通过红外加热的方法改善碳纳米管薄膜电性能。其中，源、漏电极材料可为金，栅电极材料可为PSS:PEDOT，碳纳米管薄膜的材料可为经过分离纯化后的P2。
实施例7
参见图1至图5，由于制备方法与实施例1中所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法相同，故在此不再赘述。不同之处在于，本实施例中的柔性衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯，步骤S140中打印技术为气溶胶喷墨打印技术，在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，可通过红外加热的方法改善碳纳米管薄膜电性能。其中，源、漏电极材料可为金，栅电极材料可为PSS:PEDOT，碳纳米管薄膜的材料可为经过分离纯化后的P2和CG200的混合物。
实施例8
参见图1至图5，由于制备方法与实施例1中所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法相同，故在此不再赘述。不同之处在于，本实施例中的柔性衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯，步骤S140中打印技术为气溶胶喷墨打印技术，在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，可通过红外加热的方法改善碳纳米管薄膜电性能。其中，源、漏电极材料可为金，栅电极材料可为PSS:PEDOT，碳纳米管薄膜的材料可为经过分离纯化后的P2、CG200以及CG100的混合物。
实施例9
参见图1至图5，由于制备方法与实施例1中所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法相同，故在此不再赘述。不同之处在于，本实施例中的柔性衬底材料为聚甲基丙烯酸甲酯，步骤S140中打印技术为气溶胶喷墨打印技术，在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，可通过红外加热的方法改善碳纳米管薄膜电性能。其中，源、漏电极材料可为金，栅电极材料可为PSS:PEDOT，碳纳米管薄膜的材料可为经过分离纯化后的P2、CG200、CG100以及HiPCO的混合物。
实践证明，以上实施例2至实施例9的技术效果与实施例1相同，全印刷碳纳米管薄膜晶体管的开关比和迁移率分别可以达到4×103以上和1.5cm2/Vs左右，同时工作电压只有1V左右，迟滞现象基本消除。
本发明实施例公开的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，采用纳米压印技术在柔性基体表面构建出大面积银微网格电极阵列，再通过化学镀方法把微网格电极表面变得更加平整，同时进一步增加导电率。然后采用喷墨打印或气溶胶打印技术将半导体碳纳米管墨水沉积在沟道中，并通过打印技术制备侧栅和高电容介电层。该工艺相对简单，可大规模制备大面积的高性能全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管器件，且侧栅电极结构与传统的顶电极结构相比，可以消除顶电极与介电层之间的兼容性等问题，简化了晶体管的结构，为全印刷柔性逻辑电路的构建及相关应用的研究打下了坚实的基础。
上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
(1)选取柔性衬底；
(2)通过纳米压印技术在柔性衬底表面制作银微网格电极阵列，形成源、漏电极沟道；
(3)在银微网格电极表面化学镀金属电极；
(4)通过打印技术将碳纳米管墨水沉积在源、漏电极沟道中，形成碳纳米管薄膜；
(5)通过印刷技术在源、漏电极的一侧制备栅电极；
(6)通过打印技术在碳纳米管薄膜表面沉积介电层，所述介电层与栅电极相接触。
2.如权利要求1所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所属步骤(4)中的打印技术为气溶胶打印或者喷墨打印技术。
3.如权利要求2所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所属步骤(6)中的打印技术为气溶胶打印技术。
4.如权利要求3所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述的柔性衬底材料包括聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯。
5.如权利要求4所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中的制备栅电极的印刷技术包括纳米压印技术、气溶胶打印技术或者喷墨打印技术。
6.如权利要求5所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，步骤(4)中继在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，通过退火、激光烧结或者红外加热的方法改善碳纳米管薄膜电性能。
7.如权利要求6所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述源、漏电极的材料为银、铜、镍或者金中的任一种材料。
8.如权利要求6所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述栅电极的材料为印刷导电材料，包括银、金、铜、镍、碳纳米管或者PSS:PEDOT中的任一种材料。
9.如权利要求1所述的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述的碳纳米管包括CoMoCat65、CoMoCat76、HiPCO、CG100、CG200或者P2中的至少一种。
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