CN104341605B - 一种各向异性有机薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及薄膜制备技术领域，公开了一种各向异性有机薄膜及其制备方法。所述各向异性有机薄膜由液晶分子形成，所述制备方法通过分离离子液体薄膜中的正负离子，对可聚合材料薄膜的表面进行取向，并保持正负离子的分离，对可聚合材料薄膜进行聚合，形成表面具有取向的第二薄膜，从而固定住所述取向。然后去除离子液体薄膜，在所述第二薄膜上形成液晶分子薄膜，并对所述液晶分子薄膜进行聚合形成各向异性的有机薄膜。该制备方法具备工艺简单、可大面积化、成本低廉等优势，制得的有机薄膜厚度较薄，由于没有机械摩擦，也不存在摩擦产生的颗粒导致的不良。

Description

一种各向异性有机薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜制备技术领域，特别是涉及一种各向异性有机薄膜及其制备方法。
背景技术
各向异性薄膜由于其具有物理性质随方向而变的特点，从而得到的应用非常广泛，例如TFT-LCD面板中使用的偏光片、光增亮膜、取向膜、印刷电子中使用的介电薄膜(用作绝缘保护等)、气体传感器用的渗透膜等。
一般地，各向异性薄膜可以通过机械拉伸、机械摩擦的加工方法来制备。机械拉伸方法适用于各向异性薄膜为后期贴附的方式，薄膜厚度较厚，并且该贴附工艺对已加工的电子元器件不会有破坏的效果。机械摩擦方法适用于加工面为平面的电子元器件，但对图形化的立体元器件存在阴影效应，且摩擦产生的颗粒会引起元器件的电学失效。在元器件制备中，立体的元器件所占比例较高，并对薄膜的厚度要求较薄，因此通过现有的机械拉伸和机械摩擦工艺均难以达到工艺要求。
发明内容
本发明提供一种各向异性有机薄膜及其制备方法，用以解决通过机械拉伸和机械摩擦工艺制备各向异性薄膜时存在的上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种各向异性有机薄膜的制备方法，包括：
在一基板上形成第一薄膜，所述第一薄膜包括离子液体薄膜和液态的可聚合材料薄膜，所述可聚合材料薄膜位于所述基板和离子液体薄膜之间；
分离所述离子液体薄膜中的正负离子，对所述可聚合材料薄膜的表面进行取向；
保持所述正负离子的分离，对所述可聚合材料薄膜进行聚合，形成表面具有取向的第二薄膜；
去除所述离子液体薄膜；
在所述第二薄膜上形成液晶分子薄膜，并对所述液晶分子薄膜进行聚合形成有机薄膜，所述有机薄膜与所述第二薄膜接触的界面形成与所述第二薄膜的表面配合的取向，形成各向异性的有机薄膜。
如上所述的制备方法，优选的是，所述离子液体包括一侧链基团，所述侧链基团与空气界面的作用力大于所述可聚合材料与空气界面的作用力；
在一基板上形成第一薄膜的步骤具体包括：
制备包括离子液体和可聚合材料的均相混合溶液；
空气环境下，在所述基板上形成所述混合溶液的薄膜，在所述侧链基团的作用下使得离子液体位于可聚合材料的上方。
如上所述的制备方法，优选的是，所述侧链基团为氟化基团。
如上所述的制备方法，优选的是，所述混合溶液还包括成膜剂。
如上所述的制备方法，优选的是，所述离子液体为液晶相离子液体；
具体通过施加电场的方式来分离所述离子液体薄膜中的正负离子。
如上所述的制备方法，优选的是，所述可聚合材料为光聚合型材料。
本发明还提供一种各向异性有机薄膜，包括：
表面具有取向的第二薄膜，形成在一基板上；
有机薄膜，形成在所述第二薄膜表面上，所述有机薄膜与所述第二薄膜接触的界面具有与所述第二薄膜的表面配合的取向，形成各向异性的有机薄膜，所述有机薄膜为液晶高分子薄膜。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述技术方案中，各向异性有机薄膜由液晶分子形成，具体的制备方法为：在液态的可聚合材料薄膜表面上形成离子液体薄膜，通过分离离子液体薄膜中的正负离子，可以对可聚合材料薄膜的表面进行取向，并保持正负离子的分离，对可聚合材料薄膜进行聚合，形成表面具有取向的第二薄膜，从而固定住所述取向。然后去除离子液体薄膜，在所述第二薄膜上形成液晶分子薄膜，并对所述液晶分子薄膜进行聚合形成有机薄膜，所述有机薄膜与所述第二薄膜接触的界面形成与所述第二薄膜的表面配合的取向，形成各向异性的有机薄膜。该制备方法具备工艺简单、可大面积化、成本低廉等优势，制得的各向异性有机薄膜厚度较薄，由于没有机械摩擦，也不存在摩擦产生的颗粒导致的不良。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1表示本发明实施例中各向异性有机薄膜的制备方法流程图；
图2表示本发明实施例中各向异性有机薄膜的结构示意图；
图3-图9表示本发明实施例中各向异性有机薄膜的制备过程示意图。
具体实施方式
为了制备膜厚不同的各向异性有机薄膜，现有技术中的工艺包括机械拉伸和机械摩擦，但是机械拉伸形成的薄膜厚度较厚，机械摩擦形成的薄膜存在摩擦产生的颗粒导致的不良。
本发明针对上述技术问题，提供一种各向异性有机薄膜的制备方法，制得的有机薄膜具有较薄的厚度，且不存在摩擦产生的颗粒导致的不良，尤其适用于立体元器件的薄膜制备中。
所述制备方法利用液晶分子(有机化合物)能够按一定方向取向的特点，通过液晶分子来制备各向异性有机薄膜。所述制备方法包括：在液态的可聚合材料薄膜表面上形成离子液体薄膜，通过分离离子液体薄膜中的正负离子，可以对可聚合材料薄膜的表面进行取向，并保持正负离子的分离，对可聚合材料薄膜进行聚合，形成表面具有取向的第二薄膜，从而固定住所述取向。然后去除离子液体薄膜，在所述第二薄膜上形成液晶分子薄膜，并对所述液晶分子薄膜进行聚合形成有机薄膜，所述有机薄膜与所述第二薄膜接触的界面形成与所述第二薄膜的表面配合的取向，形成各向异性的有机薄膜。该制备方法具备工艺简单、可大面积化、成本低廉等优势，制得的有机薄膜厚度较薄，由于没有机械摩擦，也不存在摩擦产生的颗粒导致的不良。
需要说明的是，本发明中的各向异性是指物理性质随方向而不同的现象。
在对本发明的技术方案进行详细描述之前，先对本发明涉及的专业术语进行解释。
离子液体：由带正电的离子(正离子)和带负电的离子(负离子)组成，对有机和无机物都有良好的溶解性能，具有良好的热稳定性和化学稳定性，易与其它物质分离，可以循环利用。1996年Bonhote P.和Dias A.采用固定阴离子，即改变咪唑分子上不同的取代基的方法，系统的合成了一系列离子液体。
液晶：是相态的一种。液晶相要具有特殊形状分子组合才会产生，它们可以流动，又拥有结晶的光学性质，而且对电磁场敏感。液晶的组成物质是一种有机化合物，也就是以碳为中心所构成的化合物。
下面将结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例中各向异性有机薄膜的制备方法包括：
步骤S1、在一基板上形成第一薄膜，所述第一薄膜包括离子液体薄膜和液态的可聚合材料薄膜，所述可聚合材料薄膜位于所述基板和离子液体薄膜之间；
所述可聚合材料具体可以为光聚合型材料，如：感光树脂或感光单体。
步骤S2、分离所述离子液体薄膜中的正负离子，对所述可聚合材料薄膜的表面进行取向；
步骤S3、保持所述正负离子的分离，对所述可聚合材料薄膜进行聚合，形成表面具有取向的第二薄膜；
其中，第二薄膜为高分子薄膜。
步骤S4、去除所述离子液体薄膜；
步骤S5、在所述第二薄膜上形成液晶分子薄膜，并对所述液晶分子薄膜进行聚合形成有机薄膜，所述有机薄膜与所述第二薄膜接触的界面形成与所述第二薄膜的表面配合的取向，形成各向异性的有机薄膜。
所述有机薄膜为液晶高分子薄膜。
通过上述步骤制得的各向异性有机薄膜厚度较薄，由于没有机械摩擦，也不存在摩擦产生的颗粒导致的不良。而且具备制作工艺简单、实现大面积化各向异性有机薄膜的制备、成本低廉等优势。
如图2所示，通过本发明的制备方法制得的各向异性有机薄膜包括依次形成在一基板100上的第二薄膜103和有机薄膜105。有机薄膜105为液晶高分子薄膜。第二薄膜103为高分子薄膜，表面具有取向，确保了形成在其上的液晶分子也具有取向，使得有机薄膜105与第二薄膜103接触的界面具有与第二薄膜103的表面配合的取向，形成各向异性的有机薄膜105。
在一个具体的实施例中，制备第一薄膜使用的离子液体包括一侧链基团，如氟化基团，所述侧链基团与空气界面的作用力大于可聚合材料与空气界面的作用力，具体的原理参见Okazaki M,Kawata K,Nishikawa H,Negoro M。Polymerizable discotic nematictriphenylene derivatives and their application to an optically anisotropicfilm。Polym Adv Technol 2000。
则在一基板上形成第一薄膜的步骤具体包括：
制备包括离子液体和可聚合材料的均相混合溶液；
空气环境下，在所述基板上形成所述混合溶液的薄膜，在所述侧链基团的作用下使得离子液体位于可聚合材料的上方。
为了有利于所述混合溶液的成膜，还可以在所述混合溶液中添加成膜剂。
上述步骤通过一次成膜工艺直接形成所需的第一薄膜，即，第一薄膜的可聚合材料薄膜位于基板和离子液体薄膜之间，简化了第一薄膜的制作工艺。
当然，也可以先通过旋涂、印刷、转印等成膜工艺在基板上形成可聚合材料薄膜，然后再通过旋涂、印刷、转印等成膜工艺在可聚合材料薄膜上形成离子液体薄膜，来形成所需的第一薄膜。
在形成第一薄膜后，通过分离离子液体薄膜中的正负离子来对可聚合材料薄膜的表面进行取向。优选的，所述离子液体可以为液晶相离子液体，由于液晶对电磁场敏感，则可以通过施加电场的方式来分离所述离子液体薄膜中的正负离子，易于实现正负离子的分离。
相应地，可以保持所述电场，进而保持可聚合材料表面的取向，并对可聚合材料薄膜进行聚合，形成表面具有取向的第二薄膜，从而固定住所述取向。其中，所述第二薄膜为高分子薄膜。
结合图3-图5，本发明实施例中各向异性有机薄膜的制备过程为：
步骤200、如图3所示，制备包括离子液体和可聚合材料的均相混合溶液，所述离子液体为液晶相离子液体，包括正离子1和负离子2。所述可聚合材料为感光树脂。所述离子液体还具有氟化基团，所述氟化基团与空气界面的作用力大于所述可聚合材料与空气界面的作用力；
步骤201、空气环境下，在一基板100上形成所述混合溶液的薄膜，在所述侧链基团的作用下使得离子液体位于可聚合材料的上方，形成第一薄膜。所述第一薄膜包括离子液体薄膜102，和位于基板100和离子液体薄膜102之间的可聚合材料薄膜101，如图4所示；
具体可以通过旋涂、印刷或转印等成膜工艺在基板100上形成均相混合溶液的薄膜，所述混合溶液包括离子液体、可聚合材料和成膜剂。所述离子液体具有氟化基团，在所述氟化基团的作用下使得离子液体位于可聚合材料的上方，形成第一薄膜。所述第一薄膜包括离子液体薄膜102和位于离子液体薄膜102和基板100之间的可聚合材料薄膜101。
步骤202、施加一定方向的电场，分离离子液体薄膜102中的正离子1和负离子2，对可聚合材料薄膜101表面进行取向，如图5所示；
步骤203、保持所述电场，用紫外线照射可聚合材料薄膜101，对可聚合材料进行聚合，形成第二薄膜103，结合图6和图7所示；
步骤204、通过溶剂去除离子液体薄膜102，结合图6和图7所示。
本步骤比较关键，对于某些用于绝缘功能的有机薄膜，离子液体的残留将使得绝缘性能劣化。
洗下来的离子液体去除溶剂后，原理上还可重复利用。
步骤205、在第二薄膜103上形成液晶分子薄膜104，并用紫外线照射液晶分子薄膜104，对液晶分子薄膜104进行聚合，形成有机薄膜105，结合图8和图9所示。其中，有机薄膜105与第二薄膜103接触的界面形成与第二薄膜103的表面配合的取向，形成各向异性的有机薄膜105。有机薄膜105为液晶高分子薄膜。
通过上述步骤即可制备厚度较薄的各向异性有机薄膜。
可以采用光学二向色性(UV/IR/可见光)对本发明制备的有机薄膜的各向异性进行验证，具体如下：
对本发明制备的各向异性有机薄膜，通过其UV吸收光谱强度作为量化指标，获取各向异性有机薄膜在平行和垂直于其取向方向上UV吸收光谱强度比，该比值典型地在1.0～1.2之间，具有较好的各向异性特性。
对于底栅底接触有机薄膜晶体管，其工作状态下，载流子在沟道的传导区域集中于栅极绝缘层与源漏电极接触的十几到几十个分子层宽度内。因此，栅极绝缘层的质量好坏直接影响了有机薄膜晶体管的性能。通过将本发明制备的各向异性有机薄膜作为底栅底接触有机薄膜晶体管的栅绝缘层，可以引导载流子的传输方向，使有机薄膜晶体管的工作电流增大1～2个数量级。
底栅底接触有机薄膜晶体管的具体制备方法包括：
步骤300、制备包括离子液体和可聚合材料的均相混合溶液，所述离子液体为液晶相离子液体，包括正离子和负离子。所述可聚合材料为感光树脂。所述离子液体还具有氟化基团，所述氟化基团与空气界面的作用力大于所述可聚合材料与空气界面的作用力；
步骤301、空气环境下，在形成有栅电极的基板上形成所述混合溶液的薄膜，在所述氟化基团的作用下使得离子液体位于可聚合材料的上方，形成第一薄膜。所述第一薄膜包括离子液体薄膜，和位于栅电极和离子液体薄膜之间的可聚合材料薄膜；
其中，形成栅电极的步骤包括：
提供一基板，在所述基板上形成由栅金属层组成的栅电极的图案。其中，所述基板可为玻璃基板、石英基板或有机树脂基板。
具体地，可以采用溅射或热蒸发的方法在所述基板上沉积一层厚度为的栅金属层，栅金属层可以是Cu，Al，Ag，Mo，Cr，Nd，Ni，Mn，Ti，Ta，W等金属以及这些金属的合金，栅金属层可以为单层结构或者多层结构，多层结构比如Cu\Mo,Ti\Cu\Ti，Mo\Al\Mo等。在栅金属层上涂覆一层光刻胶，采用掩膜板对光刻胶进行曝光，显影，使光刻胶形成光刻胶不保留区域和光刻胶保留区域，其中，光刻胶保留区域对应于栅电极的所在区域，光刻胶不保留区域对应于其他区域；通过刻蚀工艺完全刻蚀掉光刻胶不保留区域的栅金属薄膜，剥离剩余的光刻胶，形成栅电极。
形成栅电极后，通过旋涂、印刷或转印等成膜工艺在所述基板上形成均相混合溶液的薄膜，所述混合溶液包括离子液体、可聚合材料和成膜剂。所述离子液体具有氟化基团，在所述氟化基团的作用下使得离子液体位于可聚合材料的上方，形成第一薄膜。所述第一薄膜包括离子液体薄膜和位于离子液体薄膜和栅电极之间的可聚合材料薄膜。
步骤302、施加一定方向的电场，分离离子液体薄膜中的正离子和负离子，对可聚合材料薄膜表面进行取向；
步骤303、保持所述电场，用紫外线照射可聚合材料薄膜，对可聚合材料进行聚合，形成第二薄膜，所述第二薄膜为高分子薄膜；
步骤304、通过溶剂去除离子液体薄膜，。
本步骤比较关键，对于某些用于绝缘功能的有机薄膜，离子液体的残留将使得绝缘性能劣化。
洗下来的离子液体去除溶剂后，原理上还可重复利用。
步骤305、在第二薄膜上形成液晶分子薄膜，并用紫外线照射液晶分子薄膜，对液晶分子薄膜进行聚合，形成有机薄膜。其中，所述有机薄膜与第二薄膜接触的界面形成与第二薄膜的表面配合的取向，形成各向异性的有机薄膜。所述有机薄膜为液晶高分子薄膜。
所述有机薄膜的取向与有机薄膜晶体管在工作状态下的载流子传输方向一致。
步骤306、在有机薄膜上形成源电极和漏电极。
具体地，可以在经过步骤305的基板上采用磁控溅射、热蒸发或其它成膜方法沉积一层厚度约为的源漏金属层，源漏金属层可以是Cu，Al，Ag，Mo，Cr，Nd，Ni，Mn，Ti，Ta，W等金属以及这些金属的合金。源漏金属层可以是单层结构或者多层结构，多层结构比如Cu\Mo，Ti\Cu\Ti，Mo\Al\Mo等。
在源漏金属层上涂覆一层光刻胶，采用掩膜板对光刻胶进行曝光，显影，使光刻胶形成光刻胶不保留区域和光刻胶保留区域，其中，光刻胶保留区域对应于源电极和漏电极的所在区域，光刻胶不保留区域对应于其他区域；通过刻蚀工艺完全刻蚀掉光刻胶不保留区域的源漏金属薄膜，剥离剩余的光刻胶，形成源电极和漏电极。
步骤307、在有机薄膜、源电极和漏电极上形成有机半导体层图案。
具体地，可以在经过步骤306的基板上采用磁控溅射、热蒸发或其它成膜方法沉积一层厚度约为的有机半导体层，其中，有机半导体层的材料可以为并五苯、三苯基胺等有机小分子，也可以为聚乙炔型、聚芳型等有机高分子。
在有机半导体层上涂覆一层光刻胶，采用掩膜板对光刻胶进行曝光，显影，使光刻胶形成光刻胶不保留区域和光刻胶保留区域，其中，光刻胶保留区域对应于有机半导体层图案的所在区域，光刻胶不保留区域对应于其他区域；通过刻蚀工艺完全刻蚀掉光刻胶不保留区域的源漏金属薄膜，剥离剩余的光刻胶，形成有机半导体层图案。位于有机薄膜上的有机半导体层具有与有机薄膜相同的取向，能够提高载流子迁移率，提升有机薄膜晶体管的性能。
通过上述步骤即可制备性能良好的有机薄膜晶体管。
本发明的技术方案中，各向异性有机薄膜由液晶分子形成，所述制备方法通过分离离子液体薄膜中的正负离子，对可聚合材料薄膜的表面进行取向，并保持正负离子的分离，对可聚合材料薄膜进行聚合，形成表面具有取向的第二薄膜，从而固定住所述取向。然后去除离子液体薄膜，在所述第二薄膜上形成液晶分子薄膜，并对所述液晶分子薄膜进行聚合形成各向异性的有机薄膜。该制备方法具备工艺简单、可大面积化、成本低廉等优势，制得的有机薄膜厚度较薄，由于没有机械摩擦，也不存在摩擦产生的颗粒导致的不良。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种各向异性有机薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
在一基板上形成第一薄膜，所述第一薄膜包括离子液体薄膜和液态的可聚合材料薄膜，所述可聚合材料薄膜位于所述基板和离子液体薄膜之间；
分离所述离子液体薄膜中的正负离子，对所述可聚合材料薄膜的表面进行取向；
保持所述正负离子的分离，对所述可聚合材料薄膜进行聚合，形成表面具有取向的第二薄膜；
去除所述离子液体薄膜；
在所述第二薄膜上形成液晶分子薄膜，并对所述液晶分子薄膜进行聚合形成有机薄膜，所述有机薄膜与所述第二薄膜接触的界面形成与所述第二薄膜的表面配合的取向，形成各向异性的有机薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离子液体包括一侧链基团，所述侧链基团与空气界面的作用力大于所述可聚合材料与空气界面的作用力；
在一基板上形成第一薄膜的步骤具体包括：
制备包括离子液体和可聚合材料的均相混合溶液；
空气环境下，在所述基板上形成所述混合溶液的薄膜，在所述侧链基团的作用下使得离子液体位于可聚合材料的上方。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述侧链基团为氟化基团。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液还包括成膜剂。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离子液体为液晶相离子液体；
具体通过施加电场的方式来分离所述离子液体薄膜中的正负离子。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述可聚合材料为光聚合型材料。
7.一种各向异性有机薄膜，其特征在于，包括：
表面具有取向的第二薄膜，形成在一基板上；
有机薄膜，形成在所述第二薄膜表面上，所述有机薄膜与所述第二薄膜接触的整个界面具有与所述第二薄膜的表面配合的取向，形成各向异性的有机薄膜，所述有机薄膜为液晶高分子薄膜。
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