CN103762314A - 用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，包括：在基片的栅绝缘层上形成亲水区域；将聚合物绝缘材料溶液旋涂在基片的栅绝缘层上；并用紫外光照使聚合物层内部发生交联反应，通过改变紫外光照时长，不同程度的改善聚合物绝缘层的界面性质，以调控半导体墨滴单点和薄膜尺寸、形貌和结晶形态，从而调控器件电学性能。本发明在一定范围内改善了衬底与有机半导体层的界面性质以及半导体单点和薄膜的尺寸、形貌和结晶形态，提高了有机薄膜晶体管器件的电学性能。

Description

用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法
技术领域
本发明涉及液晶显示技术领域，特别是涉及一种用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法。
背景技术
有机薄膜晶体管（Organic Thin Film Transistor，简称OTFT）是一种用有机材料代替传统硅半导体材料的半导体器件。有机材料相对于硅基材料加工困难、成本很高，但是有机材料可以制备成溶液，在温和的条件下制备半导体器件，因而受到更多的关注，已经成为下一代显示技术中的核心环节。
由于有机半导体薄膜通常都具有较大的体电导，如果集成电路中薄膜晶体管器件的有机半导体薄膜互相连接，一方面容易在相邻器件之间产生串扰，另一方面也会使器件的漏电流大大增加，导致开关电流比降低。这些问题的存在严重阻碍了OTFT器件在大面积阵列及集成电路中的应用，所以有源层的图案化格外重要。
喷墨打印图案化法在所有图案化方法中有着不可比拟的优势。首先它可以实现自写入图案化，即打印到哪里，哪里就自动生成图案。只需要对打印墨头在基片上的坐标进行控制，设定好两个打印点之间的间隔距离，就可以不依赖其他因素 (如模版，图案设计等) 进行图案化的薄膜制备。 而且喷墨打印法还可以制备图案化的绝缘层材料和电极材料。喷墨打印设备的机械化和智能化程度是极其先进的，尤其是当制备大面积的有机薄膜晶体管阵列时，多个墨头配合工作可以在很短的时间内完成图案化薄膜的制备。但喷墨打印法存在致命的缺陷，其方法制备的有机薄膜晶体管器件性能也较差。主要因为喷墨打印设备打印出的薄膜不均匀，如果是单点打印，墨滴的干燥过程会出现咖啡环效应，得到四周厚，中间薄的薄膜，使得薄膜的界面形貌不佳。其次，无论是单点打印还是多点连续打印，在溶剂蒸发过程中溶质的结晶方向是不定向的。 这都会造成薄膜形态的不均匀，导致器件性能变差。为了改善这一缺陷，目前运用较多有通过调控基片表面能、及片表面生长有机单分子修饰层、旋涂聚合物层等来方法改变界面性质，从而实现对薄膜形态以及结晶的调控。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，用以调控打印的半导体薄膜的形貌和结晶形态，以调控器件的电学性能。
本发明采用的技术方案是：
用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在基片的栅绝缘层上形成亲水区域；
（2）将聚合物绝缘材料溶液旋涂在基片的栅绝缘层上形成聚合物绝缘层；
（3）用紫外光照使聚合物绝缘层内部发生交联反应形成交联聚合物绝缘层；
（4）通过改变紫外光照时长，不同程度的改善聚合物绝缘层的界面性质，以调控半导体墨滴单点和薄膜尺寸、形貌和结晶形态，从而调控器件电学性能。
所述的用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，所述的基片为硅基片、玻璃基片或塑料基片。
所述的用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，所述的紫外光的波长为254nm。
所述的用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，所述的紫外光照时间为0-120min，优选调控光照时间为0-60min。 
所述的用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，所述的聚合物绝缘材料为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯类、聚丙烯腈、二烯类橡胶或聚甲基硅氧烷，优选聚苯乙烯。
所述的用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，所述的半导体墨滴溶液的溶剂为二氯苯、四氢化萘或苯甲醚。
一种有机薄膜晶体管，其特征在于，包括依次排列的栅电极、栅绝缘层、交联聚合物绝缘层、有机半导体层和源漏电极，其中，所述交联聚合物绝缘层即通过权利要求1所述方法制备，有机半导体层通过喷墨打印制得。
所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的有机半导体层的半导体材料为小分子型半导体，优选6,13-双（三异丙基硅烷基乙炔基）并五苯(TIPS-并五苯)、2,7-二癸基-[1]苯并噻吩[3,2-b][1]-苯并噻吩(BTBT)。
所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的源漏电极由金、银、铝或者石墨烯制得。
所述半导体小分子/墨滴溶剂的溶液质量百分浓度为2%。
本发明的优点是：
采用本发明技术方案，聚合物绝缘层表面均匀平整，内部为不同交联度的网络结构，在用溶液法制备有机薄膜晶体管器件时不同程度上避免了溶剂对聚合物的溶解，在一定范围内改善了衬底与有机半导体层的界面性质以及半导体单点和薄膜的尺寸、形貌和结晶形态，提高了有机薄膜晶体管器件的电学性能；本发明特别适合制备大尺寸图案化的有机薄膜晶体管阵列。
附图说明
图1为本发明有机薄膜晶体管的制备方法流程示意图。
图2为不同衬底温度下，以TIPS-并五苯/四氢萘溶液作为喷墨打印的墨水，单点尺寸随着PS薄膜紫外光照时间的不同的变化情况示意图。
图3为基底温度28℃时，在不同紫外光照时间的PS膜上打印单点和薄膜的偏光照片。
图4为基底温度为28℃时，不同紫外光照时间的PS 薄膜上，喷墨打印制备TIPS并五苯有机薄膜晶体管器件的转移曲线图，图（a）（b）（c）（d）对应的紫外光照时间分别为0min、4min、7.5min、20min。
图5为不同基底温度下不同交联程度的PS 薄膜上，喷墨打印制备TIPS并五苯有机薄膜晶体管器件的平均迁移率性能比较图，图（1）（2）（3）（4）对应的基底温度分别为28℃、36℃、45℃、60℃。
具体实施方式
用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，包括以下步骤：
（1）在硅基片的栅绝缘层上形成亲水区域；
（2）将聚合物绝缘材料溶液旋涂在硅基片的栅绝缘层上形成聚合物绝缘层；
（3）用波长为254nm的紫外光照使聚合物绝缘层内部发生交联反应形成交联聚合物绝缘层，优选调控光照时间为0-60min；
（4）通过改变紫外光照时长，不同程度的改善聚合物绝缘层的界面性质，以调控半导体墨滴单点和薄膜尺寸、形貌和结晶形态，从而调控器件电学性能。
所述的聚合物绝缘材料为聚苯乙烯。
半导体墨滴溶液的溶剂为二氯苯、四氢化萘或苯甲醚。
一种有机薄膜晶体管，包括依次排列的栅电极、栅绝缘层、交联聚合物绝缘层、有机半导体层和源漏电极，其中，所述交联聚合物绝缘层即通过权利要求1所述方法制备，有机半导体层通过喷墨打印制得。
有机半导体层的半导体材料为小分子型半导体，优选6,13-双（三异丙基硅烷基乙炔基）并五苯(TIPS-并五苯)、2,7-二癸基-[1]苯并噻吩[3,2-b][1]-苯并噻吩(BTBT)。
源漏电极石墨烯制得。
半导体小分子/墨滴溶剂的溶液质量百分浓度为2%。
实施例
1.基片的清洗
将热生长有300nm SiO2的硅片，经丙酮超声10min，用大量的乙醇、纯水冲洗，并经氮气吹干后，用紫外-臭氧清洗仪清洗15min。 
2. PS薄膜的制备
配制5mg/ml的PS/无水甲苯溶液，以3000r的转速旋涂30s。成膜后，在120℃下干燥20min。用254nm的紫外光分别经0min、4min、7.5min、20min、47.5min的不同时间对PS薄膜进行光照处理。
3. OTFT器件的制备
喷墨打印20mg/mL TIPS并五苯/四氢萘墨水。最后热蒸镀60nm的金电极作为源、漏电极，制得底栅顶接触的OTFT器件。
本发明的原理是：
紫外光照可以使聚苯乙烯长链上的α-H原子断裂，形成聚苯乙烯自由基。自由基相互反应，形成交联的聚苯乙烯。实验证明，随着紫外光照时间的增长，PS膜交联密度增大，其表面性质也有所改变。 
在28℃到60℃基底温度下，喷墨打印TIPS-并五苯墨水，得到的单点直径随着紫外光照的时间增长而减小。在未经紫外交联的PS薄膜上，单点直径随着基底温度的升高而相应减小；紫外光照一定时间后，PS薄膜的表面能降低，单点直径的减小幅度减小；且随着紫外光照时间的增长，打印的单点直径并不是随着基底的温度的升高而减小。相反，在在外光照时间达到45min左右时，随着基底温度的升高，单点直径由18um增加到41um。单点尺寸随着PS薄膜交联程度不同而变化情况如图2所示。从图3可以看出，随着交联程度的增加，单点的TIPS并五苯的结晶性有很大的改善，紫外照射7.5min和20min的PS膜上打印的单点有明显的结晶取向，打印的薄膜也有连续的结晶取向。但随着交联时间超过一定值后，TIPS-并五苯的单点结晶性有所降低，在紫外照射47.5min的PS膜上且打印的阵列不能成膜。由此可见，通过调控紫外光照时长，可实现对喷墨打印中单点和薄膜尺寸、形貌和结晶性的调控。
从图4、5可以看出，紫外交联后的PS薄膜上喷墨打印制备的器件平均迁移率是未经紫外光照交联的PS薄膜上打印的器件性能的数倍，且交联程度不同器件性能有所差异。基底温度的适当提高，有利于器件迁移率的提高。

Claims (9)

1.用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在基片的栅绝缘层上形成亲水区域；
（2）将聚合物绝缘材料溶液旋涂在基片的栅绝缘层上形成聚合物绝缘层；
（3）用紫外光照使聚合物绝缘层内部发生交联反应形成交联聚合物绝缘层；
（4）通过改变紫外光照时长，不同程度的改善聚合物绝缘层的界面性质，以调控半导体墨滴单点和薄膜尺寸、形貌和结晶形态，从而调控器件电学性能。
2.根据权利要求1所述的用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，所述的基片为硅基片、玻璃基片或塑料基片。
3.根据权利要求1所述的用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，所述的紫外光的波长为254nm。
4.根据权利要求1所述的用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，所述的紫外光照时间为0-120min，优选调控光照时间为0-60min。
5.根据权利要求1所述的用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，所述的聚合物绝缘材料为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯类、聚丙烯腈、二烯类橡胶或聚甲基硅氧烷，优选聚苯乙烯。
6.根据权利要求1所述的用于喷墨打印有机薄膜晶体管的绝缘层修饰方法，其特征在于，所述的半导体墨滴溶液的溶剂为二氯苯、四氢化萘或苯甲醚。
7.一种基于权利要求1的有机薄膜晶体管，其特征在于，包括依次排列的栅电极、栅绝缘层、交联聚合物绝缘层、有机半导体层和源漏电极，其中，所述交联聚合物绝缘层即通过权利要求1所述方法制备，有机半导体层通过喷墨打印制得。
8.根据权利要求7所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的有机半导体层的半导体材料为小分子型半导体，优选6,13-双（三异丙基硅烷基乙炔基）并五苯(TIPS-并五苯)、2,7-二癸基-[1]苯并噻吩[3,2-b][1]-苯并噻吩(BTBT)。
9.根据权利要求7所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的源漏电极由金、银、铝或者石墨烯制得。
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