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一种含氟石墨烯修饰层有机场效应晶体管的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种含氟石墨烯修饰层有机场效应晶体管的制备方法，属于半导体材料器件领域。其特征是利用含氟石墨烯作为修饰层，采用有机半导体材料作为半导体层，制备底栅底电极结构（BGTC）的有机场效应晶体管的制备方法。该制备方法中含氟石墨烯可以提高器件的性能。所制备的含氟石墨烯修饰层的三异丙基硅乙炔取代的并四苯并噻吩（TIPSEthiotet）和并五苯器件具有高的光响应性和光敏感性。

Description

一种含氟石墨烯修饰层有机场效应晶体管的制备方法
技术领域
本发明属于半导体材料器件领域，涉及一种含氟石墨烯修饰层有机场效应晶体管的制备方法。
背景技术
有机场效应晶体管由于其在传感器、存储器、智能卡、电子纸、射频标签和显示驱动等电子领域有巨大的应用潜力而受到广泛关注。此外，有机场效应晶体管还在其他领域展现出巨大的作用，如光发射、光响应、信号存储、环境控制和医学检测等方面。在这些功能中，光响应包括器件的光检测和信号放大的性质，这些性质使得有机场效应晶体管在光转换器中得到很大的应用。具有光响应功能的有机场效应晶体管称之为有机光晶体管，有机光晶体管相对于有机二极管来说具有更高的光敏感度和更低的噪声，并且能够在有机电子电路中实现大面积的集成。
自Narayan和Kumar在2001年第一次发现有机光晶体管以来（K.S.Narayan,N.Kumar.AppliedPhysicsLetters,2001,79:1891.），有机光晶体管得到了快速的发展。一系列的π共轭的有机分子被用到有机光晶体管中，其中并五苯就是一个常用的材料，在众多的文献当中它已经被人们广泛的研究。研究表明以并五苯为半导体的有机光场效应晶体管在不同界面上表现出不同的光敏感性，在TiO2作为绝缘层的界面上的光敏感性比PMMA作为绝缘层界面的要高许多。有报道采用PVP和PMMA来修饰并五苯和TiO2的界面（Y.Hu,etal.AppliedPhysicsLetters,2006,89:072108.），这些修饰可以提高晶体管的性能并能改变并五苯对光的敏感性。这说明绝缘层的性质可对器件的光电性能产生较大影响。
石墨烯由于在有机电子学中的优异性质而被大量深入的研究（K.S.Novoselov,etal.Science,2004,306:666;K.S.Novoselov,etal.Nature,2005,438:197.）,但由于石墨烯没有带隙它在半导体领域的应用受到了限制。含氟石墨烯是石墨烯家族中比较年轻的成员，由于其带隙的可调控性，已经引起人们的兴趣（J.T.Robinson,etal.Nanoletter,2010,10:3001;K.J.etal.ACSNano,2011,5:1042.）,但尚未见关于含氟石墨烯在有机光晶体管中的应用
报道。因此，使用含氟石墨烯进行修饰有机场效应晶体管的界面来改变有机光晶体管性能的研究是有价值的新尝试。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供如何用引入修饰层的方法制备有机场效应晶体管并提高器件的性能。本发明的主要目的是引入含氟石墨烯作为修饰层，以三异丙基硅乙炔取代的并四苯并噻吩（简称：并四苯并噻吩，TIPSEthiotet）和并五苯作为半导体层，通过简单的甩膜方法制备有机场效应晶体管。含氟石墨烯修饰层的引入可以提高器件的性能，所制备的含氟石墨烯修饰层的TIPSEthiotet和并五苯器件具有高的光响应性和光敏感性。
一种含氟石墨烯修饰层有机场效应晶体管的制备方法，以含氟石墨烯（FG）修饰绝缘层表面，采用有机半导体材料和并五苯作为半导体层，制备底栅底电极结构（BGTC）的有机光场效应晶体管，其器件结构如附图1所示。该方法的特征在于其工艺步骤如下：
A.基片预处理：将切好的硅片依次用清水、二次水、乙醇、丙酮超声清洗，再放入硫酸过氧化氢混合溶液中清洗，然后再用二次水、乙醇、丙酮分别超声处理，最后用氮气吹干备用。
B.修饰层制备：将含氟石墨烯的溶液均匀铺在上述A步骤所得的清洁硅片上，通过甩膜的方法得到薄膜，然后将所得薄膜基片在真空烘箱中于50-80℃烘干1-3h，即可得到含修饰层的薄膜基片。
C.薄膜制备：将有机半导体材料的溶液均匀铺在上述B步骤所得含修饰层的基片上，按照B步骤所述方法制备可得含修饰层的半导体薄膜。同样，将有机半导体材料的溶液均匀铺在上述A步骤所得清洁硅片上，按照B步骤所述方法制备可得不含修饰层的半导体薄膜。
D.器件制备：将上述C步骤所得的薄膜进行真空镀膜，通过掩膜法镀金电极，即可得到含修饰层和不含修饰层的器件。
进一步的，所述方法中：含氟石墨烯为含氟石墨烯和氧化石墨烯。
进一步的，所述方法中：有机半导体材料为三异丙基硅乙炔取代的并四苯并噻吩（TIPSEthiotet）和并五苯。TIPSEthiotet、并五苯和含氟石墨烯的分子结构如附图1所示。
进一步的，所述方法中：绝缘层为SiO2，厚度为300nm。
进一步的，所述方法中：底栅底电极结构中的栅极为高度掺杂的Si,底电极材料为金。
所述方法中：所制备器件中金电极的沟道是W=8800μm，L=80μm。含氟石墨烯可以改变器件的性能。其中，TIPSEthiotet器件的最大光响应性和光敏感性可达21.83A/W和1.85×106，并五苯器件的最大光响应性和光敏感性可达144A/W和3.17×106，见附图2。
本发明的优点：
1.以含氟石墨烯为修饰层制备有机场效应晶体管。
2.含氟石墨烯可以提高器件的性能。
3.含氟石墨烯修饰层的TIPSEthiotet和并五苯器件具有高的光响应性和光敏感性。
附图说明
附图1.有机光场效应晶体管的器件结构及TIPSEthiotet、并五苯和含氟石墨烯的分子结构
附图2.基于含氟石墨烯修饰后的TIPSEthiotet光晶体管对光的响应性。(a)转移曲线,光强为1mW/cm2；(b)不同强度光照射下的响应曲线，(c)在无光条件下的输出曲线；(d)在有光条件下的输出曲线，光强为1mW/cm2。
具体实施方式
实施例1
首先，进行基片预处理：将切好的硅片依次用清水、二次水、乙醇、丙酮超声清洗，再放入硫酸过氧化氢混合溶液中清洗，然后再用二次水、乙醇、丙酮分别超声处理，最后用氮气吹干备用。
其次，修饰层的制备：将含氟石墨烯的溶液均匀铺在清洁硅片上，通过甩膜的方法得到薄膜，然后将所得薄膜基片在真空烘箱中于80℃烘干1h，得到含修饰层的基片。
第三，薄膜的制备：将三异丙基硅乙炔取代的并四苯并噻吩（TIPSEthiotet）的溶液均匀铺在含修饰层的基片上，按照上述含修饰层基片的方法制备含修饰层的TIPSEthiotet薄膜。
最后，器件的制备：将上述含修饰层的TIPSEthiotet薄膜进行真空镀膜，通过掩膜法镀沟道是W=8800μm，L=80μm的金电极，得到具有底栅底电极结构（BGTC）的含氟石墨烯修饰层的TIPSEthiotet薄膜光场效应晶体管。
如上所述，所制备含氟石墨烯修饰层的TIPSEthiotet薄膜光场效应晶体管的最大光响应性和光敏感性可达21.83A/W和1.85×106。
实施例2
首先，进行基片预处理：将切好的硅片依次用清水、二次水、乙醇、丙酮超声清洗，再放入硫酸过氧化氢混合溶液中清洗，然后再用二次水、乙醇、丙酮分别超声处理，最后用氮气吹干备用。
其次，修饰层的制备：将含氟石墨烯的溶液均匀铺在清洁硅片上，通过甩膜的方法得到薄膜，然后将所得薄膜基片在真空烘箱中于80℃烘干2h，得到含修饰层的基片。
第三，薄膜的制备：将并五苯的溶液均匀铺在含修饰层的基片上，按照上述含修饰层基片的方法制备含修饰层的并五苯薄膜。
最后，器件的制备：将上述含修饰层的并五苯薄膜进行真空镀膜，通过掩膜法镀沟道是W=8800μm，L=80μm的金电极，得到具有底栅底电极结构（BGTC）的含氟石墨烯修饰层的并五苯薄膜光场效应晶体管。
如上所述，所制备含氟石墨烯修饰层的并五苯薄膜光场效应晶体管的最大光响应性和光敏感性可达144A/W和3.17×106。
实施例3
首先，进行基片预处理：将切好的硅片依次用清水、二次水、乙醇、丙酮超声清洗，再放入硫酸过氧化氢混合溶液中清洗，然后再用二次水、乙醇、丙酮分别超声处理，最后用氮气吹干备用。
其次，修饰层的制备：将含氟石墨烯的溶液均匀铺在清洁硅片上，通过甩膜的方法得到薄膜，然后将所得薄膜基片在真空烘箱中于50℃烘干3h，得到含修饰层的基片。
第三，薄膜的制备：将三异丙基硅乙炔取代的并四苯并噻吩（TIPSEthiotet）的溶液均匀铺在含修饰层的基片上，按照上述含修饰层基片的方法制备含修饰层的TIPSEthiotet薄膜。
最后，器件的制备：将上述含修饰层的TIPSEthiotet薄膜进行真空镀膜，通过掩膜法镀沟道是W=8800μm，L=80μm的金电极，得到具有底栅底电极结构（BGTC）的含含氟石墨烯修饰层的TIPSEthiotet薄膜光场效应晶体管。

Claims (5)

1.一种含氟石墨烯修饰层有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于：以含氟石墨烯修饰绝缘层表面，采用有机半导体材料和并五苯作为半导体层，制备底栅底电极结构的有机光场效应晶体管，具体工艺步骤如下：
A. 基片预处理：将切好的硅片依次用清水、二次水、乙醇、丙酮超声清洗，再放入硫酸过氧化氢混合溶液中清洗，然后再用二次水、乙醇、丙酮分别超声处理，最后用氮气吹干备用；
B. 修饰层制备：将含氟石墨烯的溶液均匀铺在上述A步骤所得的清洁硅片上，通过甩膜的方法得到薄膜，然后将所得薄膜基片在真空烘箱中于50-80˚C烘干1-3h，即可得到含修饰层的薄膜基片；
C. 薄膜制备：将有机半导体材料的溶液均匀铺在上述B步骤所得含修饰层的薄膜基片上，通过甩膜的方法形成一层新的有机半导体薄膜，然后将所得覆盖了修饰层和半导体层的薄膜基片在真空烘箱中于50-80˚C烘干1-3h，得到含修饰层的半导体薄膜；同样，将有机半导体材料的溶液均匀铺在上述A步骤所得清洁硅片上，通过甩膜的方法形成一层有机半导体薄膜，可得不含修饰层的半导体薄膜；
D. 器件制备：将上述C步骤所得的薄膜进行真空镀膜，通过掩膜法镀金电极，即可得到含修饰层和不含修饰层的器件。
2.根据权利要求1所述一种含氟石墨烯修饰层有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述含氟石墨烯为氟取代的石墨烯。
3.根据权利要求1所述一种含氟石墨烯修饰层有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述有机半导体材料为三异丙基硅乙炔取代的并四苯并噻吩。
4.根据权利要求1所述一种含氟石墨烯修饰层有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述绝缘层为SiO2，厚度为300nm。
5. 根据权利要求1所述一种含氟石墨烯修饰层有机场效应晶体管的制备方法，其特征在于：所述底栅底电极结构中的栅极为高度掺杂的Si,底电极材料为金。
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