CN104112819A - 一种有机单晶场效应电路及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机单晶场效应电路及其制备方法。包括如下步骤：制备电路掩膜版；制备带有电路图案的柔性平面内嵌迭片电极：1)在衬底表面连接十八烷基三氯硅烷；2)在经修饰的衬底上分别制备源电极、漏电极和栅电极，并连接巯丙基三甲氧基硅烷；3)在源电极、漏电极和栅电极的金属电极表面分别旋涂聚二甲基硅氧烷；4)将旋涂有聚二甲基硅氧烷的栅电极转移；将栅电极的金属电极表面、源电极和漏电极的聚二甲基硅氧烷表面分别进行氧等离子体处理，形成羟基；5)剪裁源电极和漏电极，将栅电极、源电极和漏电极连接形成整体，即得柔性平面内嵌迭片电极；制备有机单晶场效应电路。本发明使用高精度的光刻法技术制备电极，可以制备精度高，复杂的图案，方便实用。

Description

一种有机单晶场效应电路及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机单晶场效应电路及其制备方法，属于有机电子领域。
背景技术
在无机集成电路迅速发展之后，直到1995年才出现了第一个真正意义上的有机电路，飞利浦实验室利用并五苯以及聚乙烯基噻吩等实现了反相器等一些列基本电路单元(Science1995,270,972)，从而掀起研究有机场效应电路的新篇章。与无机材料相比，有机材料具有成膜工艺简单，材料来源广泛，与柔性衬底兼容性好，电学性质容易调制等许多固有的优势(Nature,2001,414,599；Chemical Reviews2012,112,2208；Nature2013,499,458；Journal of the American Chemical Society2004,126,8138)。因此，使得有机场效应晶体管及电路的研究在短短的十几年间获得了快速的发展和进步。近年来对于有机场效应电路的研究主要集中于有机薄膜场效应电路的制备(AppliedPhysics Letters1998,72,2716；Advanced Materials2003,15,1147；Nature Materials2003,2,678；Chemistry of Materials2011,23,733)。然而有机薄膜中存在大量的晶界和高密度的结构缺陷，严重的影响了器件和电路的性能(Advanced Materials2006,18,2320)。有机单晶的出现恰恰解决了这个问题。因为有机单晶中不存在晶界并且具有很好的π-π轨道重叠，有效的降低电荷陷阱密度。因此可以制备有机单晶场效应电路以便提高器件性能。
目前制备有机单晶场效应电路的文献并不多，根据器件的构型不同(源/漏电极和半导体之间的上下位置)，可以分为俩类，一类是顶接触型的有机单晶场效应电路(Advanced Materials2009,21,3649；Advanced Materials2009,21,4234；AppliedPhysics Letters2009,94,203304；Advanced Materials2010,22,3938；Advanced Materials2012,24,2588)，另一类是底接触型有机单晶电路(Applied Physics Letters2006,89,222111；Nano Letter2007,7,2847)。第一类顶接触型的有机单晶场效应电路：胡文平课题组基于单个的蒽的衍生物单晶，利用纳米带作为掩膜真空沉积金作为电极制备了自举行反相器(Advanced Materials2009,21,3649)。Uemura课题组基于单个的红荧烯单晶利用真空沉积金和钙作为电极制备成互补性反相器(Advanced Materials2010,22,3938)。鲍哲南课题组利用液相法在二氧化硅衬底制备上C60和TIPS-并五苯单晶，然后利用真空沉积金作为电极获得反相器的基本电路单元(Advanced Materials2012,24,2588)。他们的共同点是都采用传统的真空掩膜沉积的方法直接在有机单晶上制备顶接触型有机单晶场效应电路。然而这种方法的存在一些缺点。一方面制备的电极尺寸较大，线条精度不够，并且图形的形状比较受限，不能制备复杂的图形。另一方面在电极的沉积过程中，热辐射会对有机半导体造成一定损伤(Advanced Materials2008,20,2947；Advanced Materials2008,20,1511)，从而影响器件性能。为了克服真空掩膜沉积法的这些缺点，胡文平课题组还发明了“贴金膜”和“纳米带电极”两种方法来制备有机单晶电路(Applied Physics Letters2009,94,20304；Advanced Materials2009,21,4234)，这两种方法成功避免了热辐射对有机半导体的损伤。由于这种方法是利用探针微操控金膜和纳米带电极制备器件的，因此这种方法只适合做单一器件，不适合做更复杂的电路，集成度不高。为了解决制备顶接触型有机单晶电路遇到的热辐射损伤，集成度低等问题。研究者又发明了第二类底接触型的有机单晶场效应电路。鲍哲南课题组基于n型材料和p型材料有机单晶在二氧化硅衬底上制备了互补型反相器(Applied Physics Letters2006,89,222111；Nano Letter2007,7,2847)。这种方法的特点是，先在衬底上利用光刻法或者真空掩膜沉积的方法制备好电极，然后把有机单晶都通过静电力与电极和绝缘层结合，最终形成器件。这种方法的优点是可以克服热辐射损伤，集成度低的问题。但是也存在一些缺点：一方面目前报道的底接触型有机单晶场效应电路的结构如图1所示，电极凸出于绝缘层表面这种结构更适合较大尺寸晶体，限制了晶体使用尺寸。因为当把有机微/纳半导体转移到这种结构电极上时，如图2所示，由于这种电极凸出的结构会导致有机半导体并不能完全与绝缘层贴合，并且很容易在电极附近形成空气间隙。这样就会导致器件的导电沟道不均匀，影响器件的性能。另一方面目前报道的底接触型有机单晶场效应电路都是在刚性的衬底上制备的，可能使半导体与电极和绝缘层的接触质量差，容易产生缺陷，导致器件性能降低。因此需要提供一种新的制备有机单晶场效应管电路的方法，这种方法需要既可以实现热辐射对有机半导体的损伤，又可以实现高性能、柔性，高集成度、适用于各种尺寸的有机单晶。
发明内容
本发明的目的是提供一种有机单晶场效应电路的制备方法，本发明的方法避免了溶液和辐射对有机半导体的污染和损伤，保证了有机半导体与电极和绝缘层完全贴合，从而获得了高性能器件；集成度高，可以制备复杂图案；适用于各种尺寸的有机单晶。
本发明所提供的有机单晶场效应电路的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备电路掩膜版，包括如下步骤：
1)利用L-editor软件分别设计源电极、漏电极和栅极的电路掩膜版图案；
2)在石英或玻璃上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，利用激光直写方法刻蚀步骤1)得到的电路掩膜版图案；然后蒸镀铬，并去除所述聚甲基丙烯酸甲酯，得到所述源电极、所述漏电极和所述栅极的电路掩膜版；
(2)制备带有电路图案的柔性平面内嵌迭片电极，包括如下步骤：
1)在衬底的表面连接十八烷基三氯硅烷；
2)在经步骤1)修饰后的衬底上，利用光刻的方法和步骤(1)得到的电路掩膜版分别制备源电极、漏电极和栅电极；并在所述源电极、漏电极和所述栅电极的金属电极表面连接巯丙基三甲氧基硅烷；
3)在步骤2)得到的所述源电极、漏电极和所述栅电极的金属电极表面分别旋涂聚二甲基硅氧烷，并进行固化；
4)将旋涂有聚二甲基硅氧烷的所述栅电极从所述衬底上进行转移；将所述栅电极的金属电极表面、所述源电极、所述漏电极的聚二甲基硅氧烷表面分别进行氧等离子体处理，即在表面形成羟基；
5)剪裁所述源电极和所述漏电极；将所述栅电极的金属电极表面、所述源电极和所述漏电极的聚二甲基硅氧烷表面进行进行对正(利用预先设计好的对正坐标图案在显微镜下，进行面的连接)，并加热，则将所述栅电极、所述源电极和所述漏电极连接形成一整体，即得到所述柔性平面内嵌迭片电极；
(3)制备有机单晶场效应电路，包括如下步骤：
将有机单晶放置在步骤(2)得到的所述柔性平面内嵌迭片电极上，即得到所述有机单晶场效应电路。
上述的制备方法中，对正时，是将所述栅电极的金属电极表面贴附在所述源电极和所述漏电极的聚二甲基硅氧烷表面上。
上述的制备方法中，步骤(1)2)中，所述激光直写方法的条件以及蒸镀铬的厚度可参考现有的方法。
上述的制备方法中，步骤(2)1)中，连接十八烷基三氯硅烷的步骤如下：
将清洗后的所述衬底静置于浓硫酸与过氧化氢体积比为7：3的混合溶液中；然后清洗所述衬底，再将所述衬底置于正庚烷与十八烷基三氯硅烷体积比为1000：1的混合溶液中，即在所述衬底表面连接上所述十八烷基三氯硅烷。
上述的制备方法中，步骤(2)2)中，所述光刻的方法的步骤如下：
在所述衬底上旋涂光刻胶，经加热后置于365nm下的紫外灯下进行曝光，然后依次经显影和定影后，进行蒸镀金属；
具体可按照如下步骤进行：
在所述衬底上旋涂一层AZ5214E光刻胶；然后把旋涂好光刻胶的衬底放在100度的烘台上加热3min；再把加热后旋有光刻胶的衬底在365nm的紫外灯下曝光20s；再把曝光之后的衬底放入显影液中显影60s；去离子水定影为30s；在光刻图案后的衬底上利用真空热蒸发的方法蒸镀25nm的金属；最后利用去胶液去除光刻胶，形成图案化的金属；
利用真空气相法在金属电极表面连接所述巯丙基三甲氧基硅烷。
上述的制备方法中，步骤(2)3)中，所述栅电极上旋涂的所述聚二甲基硅氧烷的厚度可为50～500μm；
所述源电极和所述漏电极上旋涂的所述聚二甲基硅氧烷的厚度均可为0.8～5μm；
所述固化的温度可为70℃～100℃，，所述固化的时间可为12～2小时小时。
上述的制备方法中，步骤(2)4)中，所述氧等离子体处理的时间可为10s～60s。
上述的制备方法中，步骤(2)5)中，所述加热的温度可为70℃～100℃，所述加热的时间可为10～30min。
上述的制备方法中，所述有机单晶为酞菁铜有机单晶或红荧烯有机单晶；
所述酞菁铜有机单晶的长度为10～1000μm，宽度为0.3～100μm，厚度为0.02～10μm。
所述红荧烯有机单晶的长度为30～5000μm，宽度为0.5～500μm，厚度为0.05～30μm。
本发明还进一步提供了上述方法制备得到的有机单晶场效应电路。
本发明的有机单晶场效应电路还可用于连接外电路，具体可按照如下步骤进行：利用氧等离子体的方法把所述有机单晶电路连接外电路，把带有PDMS的外接电极层转移下来，利用金膜做掩膜把有机单晶盖住，然后氧等离子体处理带有电路图案的柔性平面内嵌迭片电极和外接电极层表面，使表面形成羟基；利用探针台把金膜移走；在显微镜下利用对正图案把带有有机半导体的迭片电极层和外接电极层对正并加热；最后就实现了有机单晶电路连接外电路。
本发明具有如下优点：
本发明有机单晶场效应电路中，电极与绝缘层处在同一平面的内嵌电极并且是柔性的，使得电极、绝缘层与有机单晶形成完全接触，为一种高性能的柔性有机单晶场效应晶电路；本发明提供的制备方法，可在室温下操作，有机半导体没有受到热辐射的损伤；其使用高精度的光刻法技术制备电极，可以制备精度高，复杂的图案，实现高集成度，方便实用。
附图说明
图1是现有的底栅底接触电极结构示意图。
图2是现有的有机微/纳单晶半导体与传统底栅底接触电极接触示意图。
图3是本发明实施例1制备的柔性平面内嵌迭片电极结构示意图。
图4是本发明实施例1制备酞菁铜有机单晶场效应器件的结构示意图。
图5是本发明实施例1制备的柔性平面内嵌迭片电极应用到酞菁铜单晶场效应电路得到的反相器的实物图和性能曲线，图5(a)为酞菁铜单晶场效应反相器的实物图，图5(b)为酞菁铜单晶场效应反相器的电压输出曲线和增益曲线；图5(c)为酞菁铜单晶场效应反相器中驱动器件的转移曲线；图5(d)为酞菁铜单晶场效应反相器中负载器件的转移曲线。
图6是本发明实施例1制备的柔性平面内嵌迭片电极应用到酞菁铜有机单晶场效应晶体管中可以重复利用的显微镜图(插图)和转移曲线图。
图7是本发明实施例1制备的柔性平面内嵌迭片电极制备的多个变沟道器件的显微镜图(图7(a))和转移曲线(图7(b))。
图8是本发明实施例2制备的柔性平面内嵌迭片电极应用到红荧烯单晶场效应晶电路得到的反相器的实物图和性能曲线，图8(a)为红荧烯单晶场效应反相器的实物图，图8(b)为红荧烯单晶场效应反相器的电压输出曲线和增益曲线，图8(c)为红荧烯单晶场效应反相器中驱动器件的转移曲线，图8(d)为红荧烯单晶场效应反相器中负载器件的转移曲线。
图9是本发明实施例3制备的柔性平面内嵌迭片电极应用到红荧烯单晶场效应晶电路得到的反相器的实物图和性能曲线，图9(a)为红荧烯单晶场效应反相器的实物图，图9(b)为红荧烯单晶场效应反相器的电压输出曲线和增益曲线，图9(c)为红荧烯单晶场效应反相器中驱动器件的转移曲线，图9(d)为红荧烯单晶场效应反相器中负载器件的转移曲线。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、制备酞菁铜有机单晶场效应电路
1、制备电路掩膜版
(1)利用L-editor软件分别设计源电极、漏电极、栅极和外接电极的电路掩膜版图案；每一层要设计相同的对正图案，以便接下来把多种电极层对正。
(2)本实施例所使用的电路掩膜版购自南京清微电子科技有限公司，具体工艺为：在石英上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，利用激光直写方法刻蚀步骤1)得到的电路掩膜版图案；然后蒸镀铬(100nm)，并去除聚甲基丙烯酸甲酯，得到源电极、漏电极、栅极和外接电极的电路掩膜版。
2、制备带有反相器图案的柔性平面内嵌迭片电极
(1)利用液相法在衬底硅表面修饰一层十八烷基三氯硅烷OTS：十八烷基三氯硅烷OTS修饰硅表面：首先把衬底表面清洗干净；然后把衬底放入食人鱼洗液(浓硫酸与过氧化氢体积比7:3的溶液)中，在衬底表面形成羟基化；再次清洗衬底；把衬底放入体积比1000:1的正庚烷的OTS溶液中，使衬底表面形成一层OTS。
(2)在OTS修饰的衬底上分别利用光刻的方法制备电路图案的源/漏电极层、栅电极层、外接电极层，并在金属电极表面修饰巯丙基三甲氧基硅烷MPT：
首先利用AZ5214E光刻胶在衬底上分别光刻(烘烤温度：100度；烘烤时间：3min；曝光时间：20s；显影时间：60s；定影时间：30s)源/漏电极和栅电极；然后真空蒸镀一层25nm金(真空度：10-6torr；蒸镀速率：0.01nm/s)；去除胶之前，在金属表面利用真空气相法(具体方法是把源、漏、栅电极和30μm巯丙基三甲氧基硅烷同时放入真空系统中，保持7000Pa压强20min)修饰一层MPT分子(1～5nm)，目的是使聚二甲基硅氧烷PDMS与金属之间有很好的连接，利于金属电极从衬底表面转移下来；修饰完MPT之后，再利用N-甲基吡咯烷酮溶液去胶，目的是只在金属表面修饰MPT，衬底表面没有MPT分子。
(3)在光刻和修饰MPT后的源/漏电极、栅电极、外接电极层，上分别旋涂不同厚度的聚二甲基硅氧烷(PDMS)并固化。
以10:1(PDMS：固化剂，体积比)的比例配置PDMS溶液，搅拌后静置2小时；直接在光刻和修饰MPT后的栅电极上旋涂一层200μm PDMS溶液，然后放入烘箱中70度加热固化12小时；把静置后的PDMS放入正己烷的溶液中进行稀释，体积比为1:10，搅拌并静置；在光刻和修饰MPT后的源/漏电极上旋涂一层1μm PDMS的正己烷溶液，然后放入烘箱中70度加热固化12小时。
(4)氧等离子体处理源/漏，栅电极表面：首先把带有栅极的PDMS从硅衬底上转移下来；然后把转移下来的栅极与带有PDMS的源/漏电极同时放进氧等离子体中处理100s，使其表面羟基化—栅极的带有金属电极表面、源/漏电极的PDMS层表面。
(5)裁剪源/漏电极：利用探针(对于精细电极)裁剪带有PDMS的源/漏电极，目的是方面以后测试。
(6)对正栅电极和源/漏电极并加热：利用对正工具(可以实现上下左右调平)在显微镜下使栅电极和源/漏电极对正；把对正之后的电极放入70度烘箱中加热10分钟，目的是使栅电极和源/漏电极形成不可逆的键，使其紧密连接，至此，源/漏电极的PDMS层与栅极的金属电极表面连接在一起。
(7)利用带有较厚PDMS的栅电极把带有薄的PDMS的源/漏电极整体转移下来，这就形成了平面内嵌迭片电极。因为PDMS和金属本身的柔性就很好，所以形成的电极，绝缘层和衬底是全柔性的平面内嵌迭片电极，如图3所示。
3、制备酞菁铜有机单晶场效应电路
将酞菁铜有机单晶(长度：10～1000μm；宽度：0.3～100μm；厚度为0.02～10μm)放置在步骤2得到的柔性平面内嵌迭片电极上，就形成了有机单晶场效应电路，如图4所示。
本发明制备的有机单晶场效应电路可外接电路，利用金膜做掩膜，把有机半导体盖住，然后利用氧等离子体的方法把制备好的有机单晶电路连接外电路：
把带有PDMS的外接电极层从硅衬底上转移下来，然后氧等离子体处理100s。利用金膜做掩膜把有机单晶盖住；带有反相器图案的柔性平面内嵌迭片电极和外接电极层表面，使表面形成羟基；利用探针台把金膜移走；在显微镜下利用对正图案把带有有机半导体的迭片电极层和外接电极层对正并加热；最终实现了有机单晶电路连接外电路。
图5是本实施例制备的柔性平面内嵌迭片电极应用到酞菁铜单晶场效应电路得到的反相器的实物图以及性能曲线，其中，图5(a)为酞菁铜单晶场效应反相器的实物图，驱动器件和负载器件的长宽比为1/5；图5(b)为酞菁铜单晶场效应反相器的电压输出曲线和增益曲线；图5(c)为酞菁铜单晶场效应反相器中驱动器件的转移曲线；图5(d)为酞菁铜单晶场效应反相器中负载器件的转移曲线。
由图5(b)可得知，酞菁铜单晶场效应自举型反相器增益为5。由图5(c)可得知，酞菁铜反相器驱动器件的迁移率为0.0089cm2/Vs。由图5(d)可得知，酞菁铜反相器负载器件的迁移率为0.0037cm2/Vs。利用本发明柔性平面内嵌迭片电极制备的酞菁铜有机单晶场效应反相器的增益可比得上文献中的报道的酞菁铜单晶场效应晶反相器的增益(Advanced Materials2009,21,4234)。上述结果本发明方法可制备得到高性能的酞菁铜有机单晶场电路。
本发明制备的有机单晶场效应晶体管的柔性平面内嵌迭片电极，由于半导体和电极和绝缘层之间是通过静电吸附的作用结合在一起的，所以可以把有机单晶转移下来，这样就可以实现本专利制备的柔性平面内嵌迭片电极重复利用的特点。图6是柔性平面内嵌迭片电极重复利用酞菁铜有机单晶场效应晶体管的显微镜图(图6中插图)和器件转移曲线图(图6)。
本发明制备的有机单晶场效应晶体管的柔性平面内嵌迭片电极，由于在电极图案化过程是通过光刻技术制备的，可以形成精度高，复杂的图案。因此利用这种柔性平面内嵌迭片电极就可以实现高集成度的器件制备。图7(a)和图7(b)分别表示利用这种平面内嵌迭片电极一次可以制备多个不同沟道的酞菁铜有机单晶场效应晶体管的显微镜图和器件转移曲线图。
实施例2、制备红荧烯有机单晶场效应电路(设计的红荧烯单晶场效应反相器的驱动器件和负载器件的长宽比为1/5)
1、制备电路掩膜版
(1)利用L-editor软件分别设计源电极、漏电极、栅极和外接电极的电路掩膜版图案；每一层要设计相同的对正图案，以便接下来把多种电极层对正。
(2)本实施例所使用的电路掩膜版购自南京清微电子科技有限公司，具体工艺为：在玻璃上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，利用激光直写方法刻蚀步骤1)得到的电路掩膜版图案；然后蒸镀铬，并去除聚甲基丙烯酸甲酯，得到源电极、漏电极、栅极和外接电极的电路掩膜版。
2、制备带有反相器图案的柔性平面内嵌迭片电极
(1)利用液相法在衬底硅表面修饰一层十八烷基三氯硅烷OTS：十八烷基三氯硅烷OTS修饰硅表面：首先把衬底表面清洗干净；然后把衬底放入食人鱼洗液(浓硫酸与过氧化氢体积比7:3的溶液)中，在衬底表面形成羟基化；再次清洗衬底；把衬底放入体积比500:1的正庚烷的OTS溶液中，使衬底表面形成一层OTS。
(2)在OTS修饰的衬底上分别利用光刻的方法制备电路图案的源/漏电极层、栅电极层、外接电极层，并在金属电极表面修饰巯丙基三甲氧基硅烷MPT：
首先利用AZ5214E光刻胶在衬底上分别光刻(烘烤温度：100度；烘烤时间：3min；曝光时间：20s；显影时间：60s；定影时间：30s)源/漏电极和栅电极；然后真空蒸镀一层25nm金(真空度：10-6torr；蒸镀速率：0.01nm/s)；去除胶之前，在金属表面利用真空气相法(具体方法是把所述源、漏、栅电极和30μm巯丙基三甲氧基硅烷同时放入真空系统中，保持7000Pa压强20min)修饰一层MPT分子(5nm)，目的是使聚二甲基硅氧烷PDMS与金属之间有很好的连接，利于金属电极从衬底表面转移下来；修饰完MPT之后，再利用N-甲基吡咯烷酮溶液去胶，目的是只在金属表面修饰MPT，衬底表面没有MPT分子。
(3)在光刻和修饰MPT后的源/漏电极、栅电极、外接电极层，上分别旋涂不同厚度的聚二甲基硅氧烷(PDMS)并固化。
以10:1(PDMS：固化剂，体积比)的比例配置PDMS溶液，搅拌后静置2小时；直接在光刻和修饰MPT后的栅电极上旋涂一层200μm PDMS溶液，然后放入烘箱中70度加热固化12小时；把静置后的PDMS放入正己烷的溶液中进行稀释，体积比为1:4，搅拌并静置；在光刻和修饰MPT后的源/漏电极上旋涂一层1μm PDMS的正己烷溶液，然后放入烘箱中70度加热固化12小时。
(4)氧等离子体处理源/漏，栅电极表面：首先把带有栅极的PDMS从硅衬底上转移下来；然后把转移下来的栅极与带有PDMS的源/漏电极同时放进氧等离子体中处理100s，使其表面羟基化—栅极的带有金属电极表面、源/漏电极的PDMS层表面。
(5)裁剪源/漏电极：利用探针(对于精细电极)裁剪带有PDMS的源/漏电极，目的是方面以后测试。
(6)对正栅电极和源/漏电极并加热：利用对正工具(可以实现上下左右调平)在显微镜下使栅电极和源/漏电极对正；把对正之后的电极放入70度烘箱中加热10分钟，目的是使栅电极和源/漏电极形成不可逆的键，使其紧密连接，至此，源/漏电极的PDMS层与栅极的金属电极表面连接在一起。
(7)利用带有较厚PDMS的栅电极把带有薄的PDMS的源/漏电极整体转移下来，这就形成了平面内嵌迭片电极。因为PDMS和金属本身的柔性就很好，所以形成的电极，绝缘层和衬底是全柔性的平面内嵌迭片电极，
3、制备红荧烯有机单晶场效应电路
将红荧烯有机单晶(长度：30～5000μm；宽度：0.5～500μm；厚度为0.05～30μm)放置在步骤2得到的柔性平面内嵌迭片电极上，就形成了有机单晶场效应电路，如图4所示。
本发明制备的有机单晶场效应电路可外接电路，利用金膜做掩膜，把有机半导体盖住，然后利用氧等离子体的方法把制备好的有机单晶电路连接外电路：
把带有PDMS的外接电极层从硅衬底上转移下来，然后氧等离子体处理100s。带有反相器图案的柔性平面内嵌迭片电极和外接电极层表面，使表面形成羟基；利用探针台把金膜移走；在显微镜下利用对正图案把带有有机半导体的迭片电极层和外接电极层对正并加热；最终实现了有机单晶电路连接外电路。
图8是本实施例制备的柔性平面内嵌迭片电极应用到红荧烯单晶场效应晶电路得到的反相器的实物图和性能曲线图，其中，图8(a)为红荧烯单晶场效应反相器的实物图(驱动器件和负载器件的长宽比为1/5)；图8(b)为红荧烯单晶场效应反相器的电压输出曲线和增益曲线；图8(c)为红荧烯单晶场效应反相器中驱动器件的转移曲线；图8(d)为红荧烯单晶场效应反相器中负载器件的转移曲线。
由图8(b)可得知红荧烯单晶场效应自举型反相器增益为44；由图8(c)可得知，红荧烯反相器驱动器件的迁移率为2.47cm2/Vs；由图8(d)可得知，红荧烯反相器负载器件的迁移率为0.676cm2/Vs；本发明首次制备得到了红荧烯有机单晶场效应自举行反相器。上述结果本发明方法可制备得到高性能的红荧烯有机单晶场电路。
实施例3、制备红荧烯有机单晶场效应电路(设计的红荧烯单晶场效应反相器的驱动器件和负载器件的长宽比为2/5)
1、制备电路掩膜版
(1)利用L-editor软件分别设计源电极、漏电极、栅极和外接电极的电路掩膜版图案；每一层要设计相同的对正图案，以便接下来把多种电极层对正。
(2)本实施例所使用的电路掩膜版购自南京清微电子科技有限公司，具体工艺为：在石英上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，利用激光直写方法刻蚀步骤1)得到的电路掩膜版图案；然后蒸镀铬，并去除聚甲基丙烯酸甲酯，得到源电极、漏电极、栅极和外接电极的电路掩膜版。
2、制备带有反相器图案的柔性平面内嵌迭片电极
(1)利用液相法在衬底硅表面修饰一层十八烷基三氯硅烷OTS：十八烷基三氯硅烷OTS修饰硅表面：首先把衬底表面清洗干净；然后把衬底放入食人鱼洗液(浓硫酸与过氧化氢体积比7:3的溶液)中，在衬底表面形成羟基化；再次清洗衬底；把衬底放入体积比500:1的正庚烷的OTS溶液中，使衬底表面形成一层OTS。
(2)在OTS修饰的衬底上分别利用光刻的方法制备电路图案的源/漏电极层、栅电极层、外接电极层，并在金属电极表面修饰巯丙基三甲氧基硅烷MPT：
首先利用AZ5214E光刻胶在衬底上分别光刻(烘烤温度：100度；烘烤时间：3min；曝光时间：20s；显影时间：60s；定影时间：30s)源/漏电极和栅电极；然后真空蒸镀一层25nm金(真空度：10-6torr；蒸镀速率：0.01nm/s)；去除胶之前，在金属表面利用真空气相法(具体方法是把所述源、漏、栅电极和30μm巯丙基三甲氧基硅烷同时放入真空系统中，保持7000Pa压强20min)修饰一层MPT分子(1～5nm)，目的是使聚二甲基硅氧烷PDMS与金属之间有很好的连接，利于金属电极从衬底表面转移下来；修饰完MPT之后，再利用N-甲基吡咯烷酮溶液去胶，目的是只在金属表面修饰MPT，衬底表面没有MPT分子。
(3)在光刻和修饰MPT后的源/漏电极、栅电极、外接电极层，上分别旋涂不同厚度的聚二甲基硅氧烷(PDMS)并固化。
以10:1(PDMS：固化剂，体积比)的比例配置PDMS溶液，搅拌后静置2小时；直接在光刻和修饰MPT后的栅电极上旋涂一层200μm PDMS溶液，然后放入烘箱中70度加热固化12小时；把静置后的PDMS放入正己烷的溶液中进行稀释，体积比为1:4，搅拌并静置；在光刻和修饰MPT后的源/漏电极上旋涂一层1μm PDMS的正己烷溶液，然后放入烘箱中70度加热固化12小时。
(4)氧等离子体处理源/漏，栅电极表面：首先把带有栅极的PDMS从硅衬底上转移下来；然后把转移下来的栅极与带有PDMS的源/漏电极同时放进氧等离子体中处理100s，使其表面羟基化—栅极的带有金属电极表面、源/漏电极的PDMS层表面。
(5)裁剪源/漏电极：利用探针(对于精细电极)裁剪带有PDMS的源/漏电极，目的是方面以后测试。
(6)对正栅电极和源/漏电极并加热：利用对正工具(可以实现上下左右调平)在显微镜下使栅电极和源/漏电极对正；把对正之后的电极放入70度烘箱中加热10分钟，目的是使栅电极和源/漏电极形成不可逆的键，使其紧密连接，至此，源/漏电极的PDMS层与栅极的金属电极表面连接在一起。
(7)利用带有较厚PDMS的栅电极把带有薄的PDMS的源/漏电极整体转移下来，这就形成了平面内嵌迭片电极。因为PDMS和金属本身的柔性就很好，所以形成的电极，绝缘层和衬底是全柔性的平面内嵌迭片电极，
3、制备红荧烯有机单晶场效应电路
将红荧烯有机单晶(长度：30～5000μm；宽度：0.5～500μm；厚度为0.05～30μm)放置在步骤2得到的柔性平面内嵌迭片电极上，就形成了有机单晶场效应电路，如图4所示。
本发明制备的有机单晶场效应电路可外接电路，利用金膜做掩膜，把有机半导体盖住，然后利用氧等离子体的方法把制备好的有机单晶电路连接外电路：
把带有PDMS的外接电极层从硅衬底上转移下来，然后氧等离子体处理100s。带有反相器图案的柔性平面内嵌迭片电极和外接电极层表面，使表面形成羟基；利用探针台把金膜移走；在显微镜下利用对正图案把带有有机半导体的迭片电极层和外接电极层对正并加热；最终实现了有机单晶电路连接外电路。
图9是本实施例制备的柔性平面内嵌迭片电极应用到红荧烯单晶场效应晶电路得到的反相器的实物图和性能曲线，其中，图9(a)为红荧烯单晶场效应反相器的实物图(驱动器件和负载器件的长宽比为2/5)；图9(b)为红荧烯单晶场效应反相器的电压输出曲线和增益曲线；图9(c)为红荧烯单晶场效应反相器中驱动器件的转移曲线；图9(d)为红荧烯单晶场效应反相器中负载器件的转移曲线。
由图9(b)可得知红荧烯单晶场效应自举型反相器增益为7；由图9(c)可得知，红荧烯反相器驱动器件的迁移率为7.943cm2/Vs；由图9(d)可得知；红荧烯反相器负载器件的迁移率为2.34×10-5cm2/Vs。本发明首次制备得到了红荧烯有机单晶场效应自举行反相器。上述结果本发明方法可制备得到高性能的红荧烯有机单晶场电路。

Claims (8)

1.一种有机单晶场效应电路的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备电路掩膜版，包括如下步骤：
1)利用L-editor软件分别设计源电极、漏电极和栅极的电路掩膜版图案；
2)在石英/玻璃上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，利用激光直写方法刻蚀步骤1)得到的电路掩膜版图案；然后蒸镀铬，并去除所述聚甲基丙烯酸甲酯，得到所述源电极、所述漏电极和所述栅极的电路掩膜版；
(2)制备带有电路图案的柔性平面内嵌迭片电极，包括如下步骤：
1)在衬底的表面连接十八烷基三氯硅烷；
2)在经步骤1)修饰后的衬底上，利用光刻的方法和步骤(1)得到的电路掩膜版分别制备源电极、漏电极和栅电极；并在所述源电极、所述漏电极和所述栅电极的金属电极表面连接巯丙基三甲氧基硅烷；
3)在步骤2)的得到的所述源电极、所述漏电极和所述栅电极的金属电极表面分别旋涂聚二甲基硅氧烷，并进行固化；
4)将旋涂有聚二甲基硅氧烷的所述栅电极从所述衬底上进行转移；将所述栅电极的金属电极表面、所述源电极的聚二甲基硅氧烷表面和所述漏电极的聚二甲基硅氧烷表面分别进行氧等离子体处理，即在表面形成羟基；
5)剪裁所述源电极和所述漏电极；将所述栅电极的金属电极表面、所述源电极的聚二甲基硅氧烷表面和所述漏电极的聚二甲基硅氧烷表面进行对正并加热，则将所述栅电极、所述源电极和所述漏电极连接形成一整体，即得到所述柔性平面内嵌迭片电极；
(3)制备有机单晶场效应电路，包括如下步骤：
将有机单晶放置在步骤(2)得到的所述柔性平面内嵌迭片电极上，即得到所述有机单晶场效应电路。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)1)中，连接十八烷基三氯硅烷的步骤如下：
将清洗后的所述衬底静置于浓硫酸与过氧化氢体积比为7：3的混合溶液中；然后清洗所述衬底，再将所述衬底置于正庚烷与十八烷基三氯硅烷体积比为1000：1的混合溶液中，即在所述衬底表面连接上所述十八烷基三氯硅烷。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)2)中，所述光刻的方法的步骤如下：
在所述衬底上旋涂光刻胶，经加热后置于365nm下的紫外灯下进行曝光，然后依次经显影和定影后，进行蒸镀金属。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)3)中，所述栅电极上旋涂的所述聚二甲基硅氧烷的厚度为50～500μm；
所述源电极和所述漏电极上旋涂的所述聚二甲基硅氧烷的厚度均为0.8～5μm；
所述固化的温度为70℃～100℃，所述固化的时间为12～2小时。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)4)中，所述氧等离子体处理的时间为10秒～60秒。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)5)中，所述加热的温度为70℃～100℃，所述加热的时间为10～30min。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述有机单晶为酞菁铜有机单晶或红荧烯有机单晶。
8.权利要求1-7中任一项所述方法制备的有机单晶场效应电路。
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