CN104485419B - 制造有机场效应晶体管的方法、实现该方法的喷嘴及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法,包括以下步骤:1)喷印Gate极;2)喷印介电层;3)成形导电单元:混合型喷嘴喷出的液体在接收基板上沉积形成导电单元及覆在导电单元上的油层;4)转印;5)制造连接电极层;6)组合封装。本发明工艺简单,在混合型喷嘴制备完成的情况下,静电纺丝工艺实现简单,对环境要求也较低;成本低,设备成本低,同时制造过程中均只需要一定浓度的溶液,损耗少;精度、分辨率高,不需重复定位,而且静电纺丝所得纤维器件均在微纳尺度,集成度完全满足电路要求;效率高,大面积制造也易于实现,静电纺丝工艺可通过增加喷嘴数量并行纺丝,大大提高产量与效率,满足工业实际要求。
Description
技术领域
本发明属于半导体晶体管领域,具体涉及应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法、实现该方法的喷嘴及装置。
背景技术
场效应晶体管(FET,Field Effect Transistor)是通过改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件,已经成为制造微电子电路、大规模、超大规模集成电路所不可缺少的重要元器件之一。无机FET的尺寸已接近小型化的自然极限。为了提高电路的集成度,人们用有机分子材料来代替无机半导体材料制备有机场效应晶体管(OFET,Organic FieldEffect Transistors)。
有机薄膜晶体管是重要的有机半导体器件之一,其研究工作进展迅速并引起了人们的广泛关注。目前利用有机晶体管已经应用于环形振荡器的逻辑门、有机显示器的有源驱动电路、有机传感器、存储器、射频身份卡、电子书或电子纸领域等。与无机FET相比,有机场效应晶体管OFET的优点为:制作工艺简单、成本低、材料的多样性、重量轻、柔韧性好和可实现大面积化与大尺度弯曲。
自1986年开始,Tsumura Garnier Y.YLin等人就OTFT的工作原理、材料性能以及集成制造做了大量的工作,并且实现了简单的逻辑电路的实现。尽管OFET及其集成电路还处于基础研究阶段,但其性能的发展较快,已经达到并超过了非晶硅(a-Si:H)的水平,因此其在低成本和大面积显示和集成电路上的应用是不可避免的。
目前OFET的制造工艺主要有传统硅工艺技术如真空镀膜(“化学气相沉积”和“物理气相沉积”)、光刻、刻蚀等工艺与新兴的溶液工艺、langmuir-blodgett(LB)膜工艺和印刷工艺等。其中真空镀膜的特点就是膜的纯度高、均匀性好、厚度可控、有序度高,其场效应迁移率比其他成膜技术高一个数量级以上。不过真空成膜使用的仪器设备复杂,成本较高,不具备工业应用价值。利用光刻工艺,在OFET制备中可以加工出高分辨率、高精度的源漏电极及导电沟道,有利于减小OFET的尺寸,提高有机集成电路的集成度。但是设备成本高,与有机材料、柔性基底的兼容性差。采用电子束刻蚀能够获得极高分辨率,而且不需要掩模版,不存在硅片和掩模板之间的平行度问题,但是电子束刻蚀速度太慢,无法满足大规模生产的需要。溶液工艺针对不能蒸镀的聚合物半导体、大分子聚合物具有极好的适用性,而且操作简便,成本低,适合批量生产,但是制造精度与分辨率不够。LB膜技术不仅可以形成有机半导体薄膜,也可以在分子水平控制有机薄膜的厚度。但是大面积薄膜的缺陷较多,材料选取也受到较大限制。印刷工艺发展到目前,主要分为丝网印刷、热感应、印章印刷、喷墨打印等几种工艺技术。丝网印刷成本低,制造效率相当高,但是精度与分辨率会较低,无法满足集成电路的设计要求。传统喷墨工艺由于对油墨的飞行控制不足,导致制造分辨率不能满足实际需要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法、实现该方法的喷嘴及装置,其工艺简单,在混合型喷嘴制备完成的情况下,静电纺丝工艺实现简单。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法,包括以下步骤:
1)喷印Gate极:将质量浓度为0.08~0.12g/mL的纳米Ag溶液喷印在柔性基底上形成厚度均匀的Gate极;
2)喷印介电层:将质量浓度为0.18~0.22g/mL的PMMA溶液喷印在步骤1)形成的Gate极上,形成厚度均匀的介电层;
3)成形导电单元:将质量浓度为0.08~0.12g/mL的纳米Ag溶液分别导入到混合型喷嘴的源极腔室和漏极腔室;将质量浓度为0.08~0.12g/mL的P3HT溶液和质量浓度为0.08~0.12g/mL的矿物油分别导入混合型喷嘴的半导体腔室和辅助腔室,在XY运动平台上放置接收基板,调节混合型喷嘴与接收基板的间距为2~8mm,高压发生器在混合型喷嘴与XY运动平台之间施加电压,使液体在混合型喷嘴上形成泰勒锥后喷出到接收基板上,XY运动平台带动接收基板移动,喷出的液体在接收基板上沉积形成导电单元及覆在导电单元上的油层;导电单元包括半导体纤维层及位于半导体纤维上的S极纤维层和D极纤维层,半导体纤维层由P3HT溶液形成,S极纤维层和D极纤维层分别由源极腔室和漏极腔室喷出的纳米Ag溶液形成,油层由矿物油形成;此后清洗掉导电单元上的油层;
4)转印:将步骤3)形成的导电单元通过转印工艺转到步骤2)形成的介电层上形成复合单元,复合单元中半导体纤维层与介电层接触;
5)制造连接电极层:将导电金属浆喷印在柔性基板上制造网格状的连接电极层,用于串联、并联或混联步骤4)形成的复合单元;
6)组合封装:将连接电极层与复合单元定位后组合,将组合后的结构进行电子封装。
优选地,步骤1)中Gate极形成后,使用SEM、TEM以及XRD设备检测Gate极的质量。
优选地,步骤2)中PMMA相对分子质量为120000,PMMA溶液的溶剂为丙酮。
优选地,步骤3)中高压发生器施加的电压为1~3kV。
优选地,步骤3)中纳米Ag溶液分别通过第一气压控制器和第二气压控制器导入源极腔室和漏极腔室,P3HT溶液和矿物油分别通过第三气压控制器和第四气压控制器导入混合型喷嘴的半导体腔室和辅助腔室,,第一气压控制器、第二气压控制器、第三气压控制器和第四气压控制器内的气压分别为0.2~0.4kPa。
优选地,步骤3)中清洗掉导电单元上的油层后,将接收基板及其上的导电单元进行机械切割分块,形成多个独立的导电块。
优选地,步骤5)中采用丝网印刷工艺制作连接电极层。
优选地,导电金属浆为导电银浆或者导电铜浆。
实现上述方法的混合型喷嘴,包括本体,所述本体的上部设置有第一导流小圆孔和第二导流小圆孔,分别用于导入P3HT溶液和矿物油;本体的上部还设置有第三导流小圆孔和第四导流小圆孔,分别用于导入纳米Ag溶液;本体的下部设置有大圆孔,大圆孔内腔设置有隔离凸台,用于将大圆孔分隔成第一凹槽和第二凹槽,第一凹槽和第二凹槽分别与第一导流小圆孔和第二导流小圆孔连通;隔离凸台上设置有第五导流小圆孔和第六导流小圆孔,分别与第三导流小圆孔和第四导流小圆孔连通;第一凹槽和第一导流小圆孔连通形成半导体腔室,第二凹槽与第二导流小圆孔连通形成辅助腔室,第三导流小圆孔与第五导流小圆孔连通形成源极腔室,第四导流小圆孔与第六导流小圆孔连通形成漏极腔室。
有机场效应晶体管喷印设备,包括混合型喷嘴,所述混合型喷嘴通过高压发生器连接有XY运动平台,混合型喷嘴上连接有储液器,所述储液器上连接有用于将储液器内的液体注入混合型喷嘴内的气压控制器。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
1)工艺简单,在混合型喷嘴制备完成的情况下,静电纺丝工艺实现简单,对环境要求也较低;
2)成本低,设备成本低,同时制造过程中均只需要一定浓度的溶液,损耗少;
3)精度、分辨率高,不需重复定位,而且静电纺丝所得纤维器件均在微纳尺度,集成度完全满足电路要求;
4)效率高,大面积制造也易于实现,静电纺丝工艺可通过增加喷嘴数量并行纺丝,大大提高产量与效率,满足工业实际要求;
5)工艺与柔性基底相容,可直接在柔性基底上纺制OFET器件,保证器件可弯曲,适用于复杂工况。
附图说明
图1是本发明中混合型喷嘴注入液体时的俯视图;
图2是图1沿A-A线的剖面图;
图3是本发明中混合型喷嘴注入液体时的仰视图;
图4是本发明中有机场效应晶体管喷印设备示意图;
图5是本发明中在柔性基底上用金属喷嘴电喷雾喷印OFET的Gate极示意图;
图6是本发明中在Gate极上用金属喷嘴电喷雾喷印介电层示意图;
图7是本发明中OFET的导电单元在接收基板上的截面示意图;
图8是本发明中机械切割后的导电块转印到介电层上后的示意图;
图9(a)~(e)是本发明中转印工艺过程示意图;
图10是本发明中在柔性基板上用丝网印刷制造连接电极层的示意图;
图11是本发明中精确定位组合后的柔性OFET;
图12是本发明的工艺流程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的混合型喷嘴6用MEMS工艺加工完成,经多层感光刻蚀后形成如图1~图3所示的结构。该混合型喷嘴主要由不同的互相隔开的腔室、与之对应的微流道与气压供液控制系统组成。所述混合型喷嘴6包括本体601,所述本体601的上部设置有第一导流小圆孔602和第二导流小圆孔603,分别用于导入P3HT溶液4和矿物油5;本体601的上部还设置有第三导流小圆孔604和第四导流小圆孔605,分别用于导入纳米Ag溶液3;本体601的下部设置有大圆孔606,大圆孔606内腔设置有隔离凸台607,用于将大圆孔606分隔成第一凹槽608和第二凹槽609,第一凹槽608和第二凹槽609分别与第一导流小圆孔602和第二导流小圆孔603连通;隔离凸台607上设置有第五导流小圆孔610和第六导流小圆孔611,分别与第三导流小圆孔604和第四导流小圆孔605连通;第一凹槽608和第一导流小圆孔602连通形成半导体腔室63,第二凹槽609与第二导流小圆孔603连通形成辅助腔室64,第三导流小圆孔604与第五导流小圆孔610连通形成源极腔室61,第四导流小圆孔605与第六导流小圆孔611连通形成漏极腔室62。
本发明中的混合型喷嘴6共有四个腔室,包括源极腔室61、漏极腔室62、半导体腔室63与辅助腔室64。其中源极腔室61、漏极腔室62的形状相同,分别通过储液器66提供纳米银溶液;另外,半导体腔室63与辅助腔室64的形状也相同,分别通过导管由储液器66提供具有半导体性能与辅助功能的溶液,例如P3HT溶液4与矿物油5。
混合型喷嘴6的四个腔室互相构成并列的复杂关系,其中源极腔室61、漏极腔室62构成并列关系;半导体腔室63与辅助腔室64为并列关系,与源极腔室61、漏极腔室62流出的溶液汇流后形成泰勒锥,这四个腔室内的液体在混合型喷嘴6中包围住隔离凸台607,混合型喷嘴6下部的大圆孔606的设置就是为了使混合型喷嘴6内的能够液体形成一类似圆柱形的形状,以便于形成泰勒锥。半导体腔室63与辅助腔室64内各自的流量为源极腔室61、漏极腔室62流量的5~10倍。由此可根据流量关系降低气压供液的控制难度。
运用混合型喷嘴6的有机场效应晶体管喷印设备,如图4所示,具体包括混合型喷嘴6、储液器66或者气压控制器65。所述混合型喷嘴6通过高压发生器7连接有XY运动平台2,混合型喷嘴6上连接有储液器66,所述储液器66上连接用于将储液器66内的液体注入混合型喷嘴6内的气压控制器65。气压控制器65包括第一气压控制器、第二气压控制器、第三气压控制器和第四气压控制器,相应地,储液器66也包括第一储液器、第二储液器、第三储液器和第四储液器,分别由第一气压控制器、第二气压控制器、第三气压控制器和第四气压控制器控制出液。
本发明中采用了新型的混合型喷嘴6,因而能够喷印多种复杂的结构。本发明中制备的柔性OFET为复合单元,每一部分的制备工艺可能不同,不同步骤中可以通过选取不同的喷嘴来实现,如选取普通的金属喷嘴6’来喷印OFET的介电层11结构,选取混合型喷嘴6来制备OFET的导电单元8。
参照图4~图12,本发明在传统的电流体动力喷印装置基础上,提出了一种全打印柔性OFET阵列的新方法,运用电流体动力喷印多种工艺全打印OFET器件以及实现柔性材料封装,具体包括下述步骤:
1)在柔性基底10上用电喷雾工艺喷印OFET底层的Gate极1:
配置质量浓度为0.08~0.12g/mL的纳米Ag溶液,选取传统的金属喷嘴6’,采用电喷雾(或传统电纺丝)工艺直接在柔性基底10上多次喷印,最终形成厚度均匀的导电薄膜,作为柔性OFET的底层结构Gate极1,并运用SEM、TEM或XRD等设备检测Gate极1的质量。
2)在Gate极1上用电喷雾喷印OFET中间层的介电层11:
配置质量浓度为0.18~0.22g/mL的PMMA溶液,选取传统的金属喷嘴6’,运用电喷雾(或传统电纺丝)工艺在上述已喷印的Gate极1上多次喷印,在Gate极1上形成一层厚度均匀的介电层11,作为柔性OFET的介电层11,并运用SEM、TEM或XRD等设备检测介电层11的质量。
3)利用混合型喷嘴6在硅片上纺制OFET的导电单元8:
分别配置质量浓度为0.08~0.12g/mL的纳米Ag溶液3,作为OFET的源极和漏极的电喷印原料,依次导入到上述混合型喷嘴6的源极腔室61和漏极腔室62;另外再分别配置质量浓度为0.08~0.12g/mL的P3HT溶液4和质量浓度为0.08~0.12g/mL的矿物油5,作为OFET的半导体纤维层81和辅助层,并依次导入到上述混合型喷嘴6的半导体腔室63和辅助腔室64。将上述混合型喷嘴6与气压控制器65连接,同时高压发生器7正负极分别与上述混合型喷嘴6和XY运动平台2相连。启动气压控制器65与高压发生器7,高压发生器7施加的电压为1~3kV,精密调节气压控制器65的气压为0.2~0.4kPa(以保证半导体腔室63与辅助腔室64内各自的流量为源极腔室61、漏极腔室62流量的5~10倍),混合型喷嘴6与接收基板21(例如硅片或铝板)之间的间距为2~8mm,在接收基板21上实现近场静电纺丝。再通过控制XY运动平台2的运动轨迹,控制纤维有序、阵列化的沉积、粘附在接收基板21上。将所得纤维整列经初步清洗将辅助腔室64的油层去除并干燥后初步形成柔性OFET的导电单元8。清洗油层主要是使S极纤维层82和D极纤维层83露出,便于接线,因此辅助腔室64要使用矿物油5,以便于清洗。
4)机械切割:
将上述OFET结构进行机械切割,以形成多个独立的导电块,如图8所示。进行机械切割主要为了实现阵列化制造。不切割的话制造的电子器件尺寸大,且数量少。进行机械切割后可以形成很多个导电块;分割成很多个导电块后,将这很多个导电块都转到介电层上,每个导电块可以实现导电功能。
5)转印导电单元8并精确定位至介电层11:
将接收基板21上的导电单元8通过精确定位、转印工艺(如图9所示)转到上述的介电层11上,即S极纤维层82、D极纤维层83和半导体纤维层81一起转印到介电层11上。其中,半导体纤维层81与介电层11接触,导电单元8与介电层11、Gate极1和柔性基底10一起组成复合单元。
6)在柔性基底10上用丝网印刷制造连接电极层9:
在柔性基板10’上运用丝网印刷工艺制造网格状的连接电极层9,其结构如图10所示,目的在于将步骤5)形成的复合单元串联、并联或者混联起来,且电路结构与第5)步中切割的结构相对应。
7)PDMS封装成型
将步骤6)形成的连接电极层9与步骤5)形成的复合单元进行精确定位、组合,如图11所示,并将上述组合后的结构用PDMS在真空中进行电子封装,通过侧面引线与外界互联便制得完整的阵列化OFET器件,最后用电子仪器检测电路是否通畅。
优选地,柔性OFET单元中源极和漏极之间的平行间距d为1~10um。为保证参数的同一性,各单元中源极和漏极之间的平行间距采用5um;柔性基底10采用PVDF或Ecoflex;S极纤维层82、D极纤维层83与连接电极层9采用纳米Ag溶液3;介质层采用PMMA;半导体纤维层81采用P3HT。
与现在制造OFET的工艺相比,运用混合型喷嘴6通过静电纺丝制造OFET的方式有以下优点:
(1)工艺简单,在混合型喷嘴6制备完成的情况下,静电纺丝工艺实现简单,对环境要求也较低;
(2)成本低,设备成本低,同时制造过程中均只需要一定浓度的溶液,损耗少;
(3)精度、分辨率高,不需重复定位,而且静电纺丝所得纤维器件均在微纳尺度,集成度完全满足电路要求;
(4)效率高,大面积制造也易于实现,静电纺丝工艺可通过增加喷嘴数量并行纺丝,大大提高产量与效率,满足工业实际要求;
(5)工艺与柔性基底10相容,可直接在柔性基底10上纺制OFET器件,保证器件可弯曲,适用于复杂工况。
本发明中采用了静电纺丝工艺,因此在制造OFET的过程中纤维的尺寸以及形貌可以通过电纺丝工艺的参数进行调节。具体表现在:
第一是MEMS加工混合型喷嘴6的尺寸可变,进而大范围调控OFET纤维的直径;
第二是改变供液流量,可改变OFET各个层的厚度,适用于小范围调整混合纤维的直径;
第三是改变外加电压大小、喷嘴与接收基板21距离,可改变各个层的厚度以及改变纤维形貌,形成屈曲、蛇形、直线等结构;
第四是可改变可程控XY运动平台2运动速度,配合鞭动行为课制得电话线、“8”字形、正弦线与直线等特殊结构,进而形成复杂图案。
另外,随着电极、有机半导体及有机电介质材料的发展,运用此工艺可加工的电子器件将大大扩展,并且电学性能将会得到极大地提升,满足实际工业场合的众多要求。
本发明提出了混合型喷嘴6搭配运用于静电纺丝的工艺一步制造功能器件的工艺,此种方式随着喷嘴形式的变化可制造诸如多层薄膜晶体管、OLED等器件,具有极大的应用前景。
实施例1
1)喷印Gate极1:将质量浓度为0.1g/mL的纳米Ag溶液喷印3~5分钟在柔性基底10上形成厚度均匀的Gate极1;Gate极1形成后,使用SEM、TEM以及XRD设备检测Gate极1的质量。
2)喷印介电层11:将质量浓度为0.18g/mL的PMMA溶液喷印3~5分钟在步骤1)形成的Gate极1上,形成厚度均匀的介电层11;其中,PMMA相对分子质量为120000,PMMA溶液的溶剂为丙酮。
3)成形导电单元8:将质量浓度为0.08g/mL的纳米Ag溶液3分别导入到混合型喷嘴6的源极腔室61和漏极腔室62;将质量浓度为0.1g/mL的P3HT溶液4和质量浓度为0.08g/mL的矿物油5分别导入混合型喷嘴6的半导体腔室63和辅助腔室64;在XY运动平台2上放置接收基板21,调节混合型喷嘴6与接收基板21的间距为2mm;高压发生器7在混合型喷嘴6与XY运动平台2之间施加电压,高压发生器7施加的电压为1kV;其中,纳米Ag溶液3分别通过第一气压控制器和第二气压控制器导入源极腔室61和漏极腔室62,P3HT溶液4和矿物油5分别通过第三气压控制器和第四气压控制器导入混合型喷嘴6的半导体腔室63和辅助腔室64,第一气压控制器、第二气压控制器、第三气压控制器和第四气压控制器内的气压分别为0.2kPa。液体在混合型喷嘴6上形成泰勒锥后喷出到接收基板21上,XY运动平台2带动接收基板21移动,喷出的液体在接收基板21上沉积形成导电单元8及覆在导电单元8上的油层;导电单元8包括半导体纤维层81及位于半导体纤维上的S极纤维层82和D极纤维层83,半导体纤维层81由P3HT溶液4形成,S极纤维层82和D极纤维层83分别由源极腔室61和漏极腔室62喷出的纳米Ag溶液3形成,油层由矿物油5形成;此后清洗掉导电单元8上的油层;
4)机械切割:接收基板21及其上的导电单元8进行机械切割分块,形成多个独立的导电块。
5)转印:将步骤4)形成的导电块通过转印工艺转到步骤2)形成的介电层11上形成复合单元,复合单元中半导体纤维层81与介电层11接触;
6)制造连接电极层9:采用丝网印刷工艺使导电金属浆在柔性基板10’上制造网格状的连接电极层9,用于串联、并联或混联步骤5)形成的复合单元;导电金属浆为导电银浆或者导电铜浆;
7)组合封装:将连接电极层9与复合单元定位后组合,用PDMS在真空中进行电子封装,通过侧面引线与外界互联便制得完整的阵列化OFET器件,最后用电子仪器检测电路是否通畅。
实施例2
1)喷印Gate极1:将质量浓度为0.08g/mL的纳米Ag溶液喷印喷印3~5分钟在柔性基底10上形成厚度均匀的Gate极1;Gate极1形成后,使用SEM、TEM以及XRD设备检测Gate极1的质量。
2)喷印介电层11:将质量浓度为0.22g/mL的PMMA溶液喷印3~5分钟在步骤1)形成的Gate极1上,形成厚度均匀的介电层11;其中,PMMA相对分子质量为120000,PMMA溶液的溶剂为丙酮。
3)成形导电单元8:将质量浓度为0.1g/mL的纳米Ag溶液3分别导入到混合型喷嘴6的源极腔室61和漏极腔室62;将质量浓度为0.08g/mL的P3HT溶液4和质量浓度为0.1g/mL的矿物油5分别导入混合型喷嘴6的半导体腔室63和辅助腔室64;在XY运动平台2上放置接收基板21,调节混合型喷嘴6与接收基板21的间距为5mm;高压发生器7在混合型喷嘴6与XY运动平台2之间施加电压,高压发生器7施加的电压为3kV;其中,纳米Ag溶液3分别通过第一气压控制器和第二气压控制器导入源极腔室61和漏极腔室62,P3HT溶液4和矿物油5分别通过第三气压控制器和第四气压控制器导入混合型喷嘴6的半导体腔室63和辅助腔室64,,第一气压控制器、第二气压控制器、第三气压控制器和第四气压控制器内的气压分别为0.4kPa。液体在混合型喷嘴6上形成泰勒锥后喷出到接收基板21上,XY运动平台2带动接收基板21移动,喷出的液体在接收基板21上沉积形成导电单元8及覆在导电单元8上的油层;导电单元8包括半导体纤维层81及位于半导体纤维上的S极纤维层82和D极纤维层83,半导体纤维层81由P3HT溶液4形成,S极纤维层82和D极纤维层83分别由源极腔室61和漏极腔室62喷出的纳米Ag溶液3形成,油层由矿物油5形成;此后清洗掉导电单元8上的油层;
4)机械切割:接收基板21及其上的导电单元8进行机械切割分块,形成多个独立的导电块。
5)转印:将步骤4)形成的导电块通过转印工艺转到步骤2)形成的介电层11上形成复合单元,复合单元中半导体纤维层81与介电层11接触;
6)制造连接电极层9:采用丝网印刷工艺使导电金属浆在柔性基板10’上制造网格状的连接电极层9,用于串联、并联或混联步骤5)形成的复合单元;导电金属浆为导电银浆或者导电铜浆;
7)组合封装:将连接电极层9与复合单元定位后组合,用PDMS在真空中进行电子封装,通过侧面引线与外界互联便制得完整的阵列化OFET器件,最后用电子仪器检测电路是否通畅。
实施例3
1)喷印Gate极1:将质量浓度为0.12g/mL的纳米Ag溶液喷印3~5分钟在柔性基底10上形成厚度均匀的Gate极1;Gate极1形成后,使用SEM、TEM以及XRD设备检测Gate极1的质量。
2)喷印介电层11:将质量浓度为0.2g/mL的PMMA溶液喷印喷印3~5分钟在步骤1)形成的Gate极1上,形成厚度均匀的介电层11;其中,PMMA相对分子质量为120000,PMMA溶液的溶剂为丙酮。
3)成形导电单元8:将质量浓度为0.12g/mL的纳米Ag溶液3分别导入到混合型喷嘴6的源极腔室61和漏极腔室62;将质量浓度为0.12g/mL的P3HT溶液4和质量浓度为0.12g/mL的矿物油5分别导入混合型喷嘴6的半导体腔室63和辅助腔室64;在XY运动平台2上放置接收基板21,调节混合型喷嘴6与接收基板21的间距为8mm;高压发生器7在混合型喷嘴6与XY运动平台2之间施加电压,高压发生器7施加的电压为2kV;其中,纳米Ag溶液3分别通过第一气压控制器和第二气压控制器导入源极腔室61和漏极腔室62,P3HT溶液4和矿物油5分别通过第三气压控制器和第四气压控制器导入混合型喷嘴6的半导体腔室63和辅助腔室64,第一气压控制器、第二气压控制器、第三气压控制器和第四气压控制器内的气压分别为0.3kPa。液体在混合型喷嘴6上形成泰勒锥后喷出到接收基板21上,XY运动平台2带动接收基板21移动,喷出的液体在接收基板21上沉积形成导电单元8及覆在导电单元8上的油层;导电单元8包括半导体纤维层81及位于半导体纤维上的S极纤维层82和D极纤维层83,半导体纤维层81由P3HT溶液4形成,S极纤维层82和D极纤维层83分别由源极腔室61和漏极腔室62喷出的纳米Ag溶液3形成,油层由矿物油5形成;此后清洗掉导电单元8上的油层;
4)机械切割:接收基板21及其上的导电单元8进行机械切割分块,形成多个独立的导电块。
5)转印:将步骤4)形成的导电块通过转印工艺转到步骤2)形成的介电层11上形成复合单元,复合单元中半导体纤维层81与介电层11接触;
6)制造连接电极层9:采用丝网印刷工艺使导电金属浆在柔性基板10’上制造网格状的连接电极层9,用于串联、并联或混联步骤5)形成的复合单元;导电金属浆为导电银浆或者导电铜浆;
7)组合封装:将连接电极层9与复合单元定位后组合,用PDMS在真空中进行电子封装,通过侧面引线与外界互联便制得完整的阵列化OFET器件,最后用电子仪器检测电路是否通畅。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法,其特征在于:包括以下步骤:
1)喷印Gate极:将质量浓度为0.08~0.12g/mL的纳米Ag溶液喷印在柔性基底上形成厚度均匀的Gate极;
2)喷印介电层:将质量浓度为0.18~0.22g/mL的PMMA溶液喷印在步骤1)形成的Gate极上,形成厚度均匀的介电层;
3)成形导电单元:将质量浓度为0.08~0.12g/mL的纳米Ag溶液分别导入到混合型喷嘴的源极腔室和漏极腔室;将质量浓度为0.08~0.12g/mL的P3HT溶液和质量浓度为0.08~0.12g/mL的矿物油分别导入混合型喷嘴的半导体腔室和辅助腔室,在XY运动平台上放置接收基板,调节混合型喷嘴与接收基板的间距为2~8mm,高压发生器在混合型喷嘴与XY运动平台之间施加电压,使液体在混合型喷嘴上形成泰勒锥后喷出到接收基板上,XY运动平台带动接收基板移动,喷出的液体在接收基板上沉积形成导电单元及覆在导电单元上的油层;导电单元包括半导体纤维层及位于半导体纤维上的S极纤维层和D极纤维层,半导体纤维层由P3HT溶液形成,S极纤维层和D极纤维层分别由源极腔室和漏极腔室喷出的纳米Ag溶液形成,油层由矿物油形成;此后清洗掉导电单元上的油层;
4)转印:将步骤3)形成的导电单元通过转印工艺转到步骤2)形成的介电层上形成复合单元,复合单元中半导体纤维层与介电层接触;
5)制造连接电极层:将导电金属浆喷印在柔性基板上制造网格状的连接电极层,用于串联、并联或混联步骤4)形成的复合单元;
6)组合封装:将连接电极层与复合单元定位后组合,将组合后的结构进行电子封装。
2.根据权利要求1所述的应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法,其特征在于:步骤1)中Gate极形成后,使用SEM、TEM以及XRD设备检测Gate极的质量。
3.根据权利要求1所述的应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法,其特征在于:步骤2)中PMMA相对分子质量为120000,PMMA溶液的溶剂为丙酮。
4.根据权利要求1所述的应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法,其特征在于:步骤3)中高压发生器施加的电压为1~3kV。
5.根据权利要求1所述的应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法,其特征在于:步骤3)中纳米Ag溶液分别通过第一气压控制器和第二气压控制器导入源极腔室和漏极腔室,P3HT溶液和矿物油分别通过第三气压控制器和第四气压控制器导入混合型喷嘴的半导体腔室和辅助腔室,第一气压控制器、第二气压控制器、第三气压控制器和第四气压控制器内的气压分别为0.2~0.4kPa。
6.根据权利要求1所述的应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法,其特征在于:步骤3)中清洗掉导电单元上的油层后,将接收基板及其上的导电单元进行机械切割分块,形成多个独立的导电块。
7.根据权利要求1所述的应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法,其特征在于:步骤5)中采用丝网印刷工艺制作连接电极层。
8.根据权利要求1所述的应用混合型喷嘴喷印制造有机场效应晶体管的方法,其特征在于:导电金属浆为导电银浆或者导电铜浆。
9.实现权利要求1~8中任一权利要求所述方法的混合型喷嘴,其特征在于:包括本体,所述本体的上部设置有第一导流小圆孔和第二导流小圆孔,分别用于导入P3HT溶液和矿物油;本体的上部还设置有第三导流小圆孔和第四导流小圆孔,分别用于导入纳米Ag溶液;本体的下部设置有大圆孔,大圆孔内腔设置有隔离凸台,用于将大圆孔分隔成第一凹槽和第二凹槽,第一凹槽和第二凹槽分别与第一导流小圆孔和第二导流小圆孔连通;隔离凸台上设置有第五导流小圆孔和第六导流小圆孔,分别与第三导流小圆孔和第四导流小圆孔连通;第一凹槽和第一导流小圆孔连通形成半导体腔室,第二凹槽与第二导流小圆孔连通形成辅助腔室,第三导流小圆孔与第五导流小圆孔连通形成源极腔室,第四导流小圆孔与第六导流小圆孔连通形成漏极腔室。
10.有机场效应晶体管喷印设备,其特征在于:包括权利要求9所述的混合型喷嘴,所述混合型喷嘴通过高压发生器连接有XY运动平台,混合型喷嘴上连接有储液器,所述储液器上连接有用于将储液器内的液体注入混合型喷嘴内的气压控制器。
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