CN103943777B - 一种可控温旋涂制备有机半导体/铁电复合阻变薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用可控温旋涂技术高效率制备一种具有阻变特性的有机半导体/铁电复合薄膜的方法。铁电聚合物和有机半导体溶于四氢呋喃溶剂中并制备成混合溶液，在特定旋涂环境温度下，将混合溶液滴涂于干净基片表面，并旋涂成膜。通过对旋涂时环境温度的精确调控，可实现低表面粗糙度、高阻变性能的有机半导体/铁电复合薄膜的制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种可控温旋涂制备有机半导体/铁电复合薄膜的方法。采用四氢呋喃溶剂将铁电聚合物和有机半导体溶解并配置成混合溶液，采用控温旋涂工艺将混合溶液旋涂于衬底表面，制备有机半导体/铁电复合阻变薄膜。
背景技术
阻变存储器具有结构简单、读写速度快、制造成本低、器件等比例缩小性能优、与半导体工艺兼容性佳等特点，受到学术界和产业界的广泛关注，有望成为未来存储技术发展的方向。有机半导体/铁电复合结构因其具有电双稳和整流特性，是目前制备阻变存储器的一种简单工艺。然而，由于半导体相和铁电相在溶液法成膜过程中形成相分离结构，因而采用普通旋涂工艺制得的复合薄膜表面极为粗糙，其表面粗糙度与薄膜的厚度相当，从而导致器件漏电增加，削弱了器件的阻变特性，造成该复合阻变存储结构的产率下降。因此，寻求一种简单易行的降低有机半导体/铁电复合结构表面粗糙度的制备方法成为制备该类阻变存储器件的必然要求。本发明将旋涂仪和温控系统集成，实现了旋涂过程中温度环境可控，使混合溶液能在特定环境温度下旋涂成膜，实现了具有优良阻变特性的低粗糙度有机半导体/铁电复合薄膜的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单易行的可控温旋涂制备有机半导体/铁电复合阻变薄膜的方法，从而实现具有阻变特性的低表面粗糙度有机半导体/铁电复合薄膜的高效制备。
本发明提出的可控温旋涂制备有机半导体/铁电复合薄膜的方法，采用可控温旋涂系统实现，所述可控温旋涂系统包括温控装置和温控仪，所述温控装置为一密封空腔，腔壁四周环绕电阻丝，电阻丝经220V电源通电加热，温控装置内温度由Pt100温度探头测量，所述Pt100温度探头由温控仪测控，温控装置内底部放置有旋涂机，所述旋涂机上部设有旋涂台，旋涂台上放置衬底；温控装置顶部开孔，设有滴液口，混合溶液从滴液口滴入温控装置内；具体步骤如下：
(1) 将铁电聚合物偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物（P(VDF-TrFE)）溶于溶剂四氢呋喃中，配制质量浓度为1%－4%的溶液；
(2) 将有机半导体P3HT材料溶于步骤(1)得到的已溶有P(VDF-TrFE)的四氢呋喃溶液中，配制成混合溶液，其中：有机半导体P3HT材料与P(VDF-TrFE)的质量比为1:100-1:10；
(3) 将步骤(2)得到的混合溶液涂布于可控温旋涂系统的洁净衬底表面，采用旋涂工艺，经旋涂成膜，待溶剂四氢呋喃完全挥发后，即可获得有机半导体/铁电复合结构薄膜。
本发明中，步骤(3)中通过改变环境温度，可实现有机半导体/铁电复合薄膜粗糙度的调控。一般来说，复合薄膜表面粗糙度随旋涂环境温度呈先减小后增加的趋势，基片温度为50℃时，薄膜粗糙度最小。
本发明中，温控装置内的控温精度为1℃，可控温度范围为室温至150℃。
本发明的有益效果在于：本发明铁电聚合物和有机半导体溶于四氢呋喃溶剂中并制备成混合溶液，在特定旋涂环境温度下，将混合溶液滴涂于干净基片表面，并旋涂成膜。通过对旋涂时环境温度的精确调控，可实现低表面粗糙度、高阻变性能的有机半导体/铁电复合薄膜的制备。
附图说明
图 1：可控温旋涂系统示意图。
图2：不同环境温度下获得的有机半导体/铁电复合薄膜的表面形貌及粗糙度分析。图像扫描面积均为20μm×20μm。混合溶液中P(VDF-TrFE)质量浓度为3.2%，P3HT:P(VDF-TrFE)质量比为1:10。图a、b、c为复合薄膜的原子力显微镜形貌图，其所对应的旋涂环境温度分别为20℃、50℃和70℃。图a’、b’和c’分别为由形貌图a、b和c中获得的表面起伏数据。
图3：不同旋涂环境温度下获得的有机半导体/铁电复合薄膜的阻变特性。其中图3a为在20℃下旋涂获得；图3b为在50℃下旋涂获得。
图中标号：1为旋涂台，2为衬底，3为旋涂机，4为滴液口，5为混合溶液，6为温控仪，7为Pt100温度探头，8为220V电源，9为温控腔。
具体实施方式
下面将结合实施例，阐述有机半导体/铁电复合结构薄膜的制备方法及旋涂温度对薄膜粗糙度的调控。
实施例
1
本实施例阐述通过对旋涂环境温度的调节，实现复合结构薄膜粗糙度的调控。步骤如下：
1) 配制P(VDF-TrFE)铁电聚合物的四氢呋喃溶液10ml，质量浓度为3.2%。
2) 在上述溶液中加入P3HT，配制成P3HT与P(VDF-TrFE)的比例为1:10的混合溶液。
3) 在特定环境温度下，将混合溶液滴于控温装置内的洁净的载玻片上， 并以700rpm的转速旋涂成膜。
4) 共制备3片复合薄膜样品，其旋涂环境温度分别为20℃、50℃和70℃。
5) 用原子力显微镜观察所形成的有机半导体/铁电复合薄膜表面形貌及粗糙度特性，确定旋涂温度对成膜粗糙度的影响。
典型的分析结果如附图2所示。成像面积均为20μm×20μm。图a、b、c为复合薄膜的原子力显微镜形貌图，其所对应的旋涂环境温度分别为20℃、50℃和70℃，对应复合薄膜的均方根粗糙度分别为39.97nm、14.7nm和16.35nm。图a’、b’和c’分别为由形貌图a、b和c中获得的表面起伏数据。可见随着环境温度由20℃上升到70℃，薄膜表面起伏幅度先减小后略有增加。
实施例
2
本实施例阐述旋涂环境温度对于有机半导体/铁电复合薄膜阻变性能的调控。步骤如下：
1) 在玻璃片上制备金属/有机复合薄膜/金属的三明治结构，电极采用十字交叉结构的银电极，电极面积0.2mm×0.1mm。
2) 有机半导体/铁电复合结构薄膜的制备方法与实施例1中相同，旋涂时的温度分别为20℃和50℃。
3）进行电学测试，确定不同环境温度下获得器件的阻变特性。
典型的结果如附图3所示。图3a所示为旋涂温度为20℃的器件的电流-电压(I-V)特性曲线，曲线呈对称结构，并没有出现明显的阻变性能，其主要原因是由于大的表面粗糙度导致大的漏电流，从而掩盖了器件的阻变性能；而图3b旋涂温度为50℃的器件表现出了明显的存储性能，同时常态漏电降低了近2个数量级，表明粗糙度的降低改善了薄膜漏电流特性和阻变特性。
Claims (2)
1.一种可控温旋涂制备有机半导体/铁电复合薄膜的方法，其特征在于采用可控温旋涂系统实现，所述可控温旋涂系统包括温控装置和温控仪，所述温控装置为一密封空腔，腔壁四周环绕电阻丝，电阻丝经220V电源通电加热，温控装置内温度由Pt100温度探头测量，所述Pt100温度探头由温控仪测控，温控装置内底部放置有旋涂机，所述旋涂机上部设有旋涂台，旋涂台上放置衬底；温控装置顶部开孔，设有滴液口，混合溶液从滴液口滴入温控装置内；具体步骤如下：
(1) 将铁电聚合物偏二氟乙烯与三氟乙烯的共聚物P(VDF-TrFE)溶于溶剂四氢呋喃中，配制质量浓度为1%－4%的溶液；
(2) 将有机半导体P3HT材料溶于步骤(1)得到的已溶有P(VDF-TrFE)的四氢呋喃溶液中，配制成混合溶液，其中：有机半导体P3HT材料与P(VDF-TrFE)的质量比为1:100-1:10；
(3) 将步骤(2)得到的混合溶液涂布于可控温旋涂系统的洁净衬底表面，采用旋涂工艺，经旋涂成膜，待溶剂四氢呋喃完全挥发后，即可获得有机半导体/铁电复合结构薄膜；通过改变环境温度，实现有机半导体/铁电复合薄膜粗糙度的调控，基片温度为50℃，薄膜粗糙度最小。
2.根据权利要求1所述的可控温旋涂制备有机半导体/铁电复合薄膜的方法，其特征在于温控装置内的控温精度为1℃，可控温度范围为室温至150℃。
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