CN104638106B - 一种有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种有机薄膜晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种有机薄膜晶体管，包括基片、源/漏电极、门电极，以及位于源/漏电极和门电极之间的半导体层和绝缘层，所述半导体层材料为结构通式如下式（Ⅰ）或所示有机稠环芳烃衍生物，其中：Ar1‑Ar8独立选自H、C6～C30的取代或非取代的芳烃基团、C6～C30的取代或非取代的稠环芳烃基团、C6～C30的取代或非取代的稠杂环基团、五元、六元的杂环或取代杂环、三芳胺基基团、芳醚团基基团、C1～C20的取代或非取代的脂肪族烷基基团中的一种；且Ar1‑Ar8不同时为H。本发明采用新型的有机场致效应半导体材料，同时利用本材料制备了有机薄膜晶体管，特别的，在有机柔性显示器以及其他要求柔性的器件中可以有很好的应用。

Description

一种有机薄膜晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型有机薄膜晶体管，其使用的是一类新型的有机稠环芳烃衍生物作为有机半导体，该类有机半导体材料具有大共轭体系和很好的光敏特性，在集成电路、光敏和存储有机光电子领域有重要应用前景。
背景技术
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。在有机半导体材料晶体管出现以前，晶体管主要是由硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs、氮化镓GaN等为代表的半导体材料制备，已经广泛应用于电子元件、高密度信息存储、光电器件等领域。随着人们对有机半导体材料认识的逐步深入，一批具有类似无机半导体特性的有机功能材料被开发出来了，并且正尝试应用于传统半导体材料的领域。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、电子书或电子纸领域等等。有机半导体材料的出现，极大地丰富了人们的视野，激发了广泛的研究兴趣，已经成为当今的研究热点之一。
有机半导体材料与传统的无机半导体材料相比有一定的相似性，它们在电导率、载流子迁移率和能隙等方面存在着较多的类似点，应用领域也有一定的相似性。但是有机半导体材料又具有许多不同于无机半导体材料的新特点，有机半导体可选范围广泛、制备工艺简单、成本低廉，并且可以制备柔性器件，这都给有机半导体材料的发展提供了美好的前景和广阔的空间
通常晶体管包括双极晶体管和场效应晶体管。所谓场效应是指半导体材料的导电能力随着电场的变化而变化。场效应晶体管工作过程和电子管十分相似，是电压控制器件，就是通过改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件。在电子领域中有着广泛的应用，是微处理器和半导体储存器等超大规模集成电路中最重要的器件之一。
随着有机半导体材料的发现和发展，人们开始尝试利用有机物替代无机材料充当载流子传输层，而利用有机材料充当载流子传输层的薄膜场效应晶体管也就被称为有机薄膜场效应晶体管（organic thin-film field-effect transistor，OTFFET）。也称有机薄膜晶体管（organic thin-film transistor，OTFT）或者有机场效应晶体管（organic field-effect transistor，OFET），在本论文中，为方便起见，我们统一称为有机薄膜晶体管。
虽然有机半导体材料的种类不断得到丰富，但是材料的选择范围很是很小的，基本上集中于并五苯和寡聚噻吩及其衍生物上，除此以外酞菁及其衍生物也略有涉及但是要少很多。
一方面载流子迁移率很难再有大幅度提高，另一方面这些种材料具有合成困难，价格昂贵、稳定性较差等缺点。而且只选择这些材料大大的缩小了有机半导体材料的选择范围。新的有机半导体需要被尝试。更多的有机材料应该被用于有机薄膜晶体管的领域当中，不断的拓宽有机薄膜晶体管的选材范围，进而提高其性能。因而在本专利中研究了新的材料，一类有机稠环芳烃衍生物材料作为新的半导体层，并制备了器件。通过对器件中有机半导体材料层的厚度、蒸发和旋涂速率、金属电极金Au电极的厚度参数等的不断调整以及采用退火等操作流程，大大优化了器件的性能，使得器件的载流子迁移率从10-5cm2/Vs达到了0.9cm2/Vs，开关电流比从20～30提高到了104～105。
场效应晶体管有着较好的工作速率，较低的能耗功率，封装也比较容易实现大规模制作，因此它们在存储器、便携式电子计算机、自动化电子设备、数据传送设备、随机逻辑系统中可以有广泛的应用。
相对于无机的场效应晶体管，有机薄膜晶体管有着如下的优点：
有机薄膜技术更多、更新、更薄，使得器件的尺寸能够更小，集成度更高，使得应用有机薄膜晶体管的电子元器件可以达到更高的运算速度和更小的操作功率。利用有机薄膜大规模制备技术，可以制备大面积的器件。
有机材料的合成相对于无机材料容易，有机分子选材广泛，而且通过对有机分子结构进行适当的修饰，可以得到不同性能的材料，因此通过尝试新的材料以及对有机半导体材料进行改性就能够使有机薄膜晶体管的电学性能达到理想的结果。
有机薄膜晶体管的上述特点决定了它有着非常广阔的应用前途，因此人们在对有机薄膜晶体管器件制备工艺和机理进行研究的同时，对相关的应用研究也投入了很大的精力。现在已经被应用于有机存储器件、有机集成电路、有机有源点阵显示器的驱动、有机气体/离子传感器等众多的领域。
发明内容：
本发明的目的是提出一种新型有机薄膜晶体管，其中采用了有机稠环芳烃衍生物材料，作为一类新型有机半导体材料。
特别地，我们发现，在本发明的材料中，通式（Ⅰ）的母体结构是共平面的，这样的稠环共轭体系有利于电子的传输。母体结构上连接三芳胺或稠杂环芳烃，例如咔唑基团，二苯并噻吩基团，二苯并呋喃基团等，这样的稠杂环有利于给出电子（杂原子上的电子易给出）。整体效果是使用有机稠环芳烃衍生物材料的有机薄膜晶体管表现出优异的晶体管性质。
本发明提出一种有机薄膜晶体管，包括基片、源/漏电极、门电极，以及位于源/漏电极和门电极之间的半导体层和绝缘层，所述半导体层材料为结构通式如下式（Ⅰ）所示有机稠环芳烃衍生物，
其中：Ar1-Ar8独立选自H、C6～C30的取代或非取代的芳烃基团、C6～C30的取代或非取代的稠环芳烃基团、C6～C30的取代或非取代的稠杂环基团、五元、六元的杂环或取代杂环、三芳胺基基团、芳醚团基基团、C1～C20的取代或非取代的的脂肪族烷基基团中的一种；
且Ar1-Ar8不同时为H。
进一步的，所述有机稠环芳烃衍生物通式（Ⅰ）中，Ar1-Ar8分别独立选自苯基、取代的苯基、联苯基、萘基、取代的萘基、咔唑基、取代的咔唑基、三芳胺基、二苯胺基、N-苯基萘胺基、二苯并噻吩基、取代的二苯并噻吩基、二苯并呋喃基、取代的二苯并呋喃基。
为了更清楚说明本发明内容，下面具体叙述本发明涉及到的优选化合物的结构：
本发明有机薄膜晶体管的基片所用材料选自玻璃、硅片、金属、陶瓷或者有机高分子材料。
进一步的，所述基片是柔性基片。
所述有机薄膜晶体管的半导体层的厚度在10-100nm范围内。
所述有机薄膜晶体管的源/漏电极或门电极厚度为10-200nm。
本发明还提供了一种制备所述的有机薄膜晶体管的方法，具体步骤包括：有机稠环芳烃衍生物材料的合成和提纯；在带有门电极的基片上制备绝缘层；在绝缘层上沉积所述有机稠环芳烃衍生物材料作为器件的半导体层；制备源/漏电极；采用退火工艺处理器件。
具体步骤也可以是：有机稠环芳烃衍生物材料的合成和提纯；在带有源/漏电极的基片上制备绝缘层；在绝缘层上沉积所述有机稠环芳烃衍生物材料作为器件的半导体层；制备门电极；采用退火工艺处理器件。
制备有机薄膜晶体管时，有机稠环芳烃衍生物半导体层是在真空腔室中蒸镀制备的，蒸镀速度为
所述有机稠环芳烃衍生物半导体层是通过把所述有机稠环芳烃衍生物溶解在溶剂中，通过旋涂、喷墨打印和印刷湿法制备的。
所述退火工艺步骤中控制温度为50℃至120℃，退火时间为1-4小时
本发明的有机薄膜晶体管的制作工艺简单，可以采用蒸镀、甩膜等等工艺，制备条件温和，可以有效地降低器件的成本。
本发明将有机稠环芳烃衍生物材料引入到有机场效应半导体材料领域，极大的拓展了有机场效应半导体材料的选择空间。利用本发明的技术方案可以制备全有机材料的器件，在有机柔性显示器以及其他要求柔韧性的器件可以有很好的应用。
具体实施方式
本发明中所用的基本原材料，3，5-二溴苯并呋喃，邻-溴碘苯，苯乙炔萘乙炔，以及各种二苯并呋喃硼酸，苯并呋喃硼酸，咔唑衍生物硼酸，二苯并噻吩硼酸，萘硼酸等，可在国内各大化工原料市场买到或用普通化学方法合成。
具体实施例
主要中间体苯并呋喃-3，5-二硼酸的合成
将5.52g的3，5-二溴苯并呋喃（分子量276，0.02mol）溶于100ml干燥的THF中，－80℃滴加正丁基理20ml（2.5M，0.05mol），搅拌15min，再滴加三异丙基硼酸酯30ml。水解，调节pH至中性析出白色硼酸衍生物4.2g，产率近乎100%。
实施例1
化合物1的合成
（1）第一步，
在一500ml的三口瓶中，加入邻溴碘苯28.2g（分子量282，0.10mol），碘化亚铜0.95g（分子量190，0.005mol），Pd(PPh3)4使用量2.5g（分子量1154，0.00218mol），溶剂三乙胺180ml。氮气保护。搅拌30分钟后，用冰水将反应体系降温至0℃，向其中缓慢加入苯乙炔12.3g（分子量102，0.12mol）。激烈搅拌，用TLC版监控反应，大约2小时后反应完全。旋蒸出有机溶剂，柱色谱分离，用乙酸乙酯和石油醚洗脱，得到21.1g目标分子，分子量256，产率82.4%。
（2）第二步，
1000毫升一口瓶，配电动搅拌，加入第一步的最终产物21.1g（分子量256，0.0824mol），苯并呋喃3，5-二硼酸8.3g（分子量206，0.04mol），Pd(PPh3)4使用量6.0g（分子量1154，0.0052mol），碳酸钠200ml（2M），甲苯200ml，乙醇200ml。氩气置换后,回流，用TLC监控反应，4小时后反应完全，降温，用普通柱分离方法提纯，得到15.0g产品，分子量470，产率79.5%。
（3）第三步，
在氮气保护下，在一500ml的圆底烧瓶中，加入第二步反应产物15.0g（分子量470，0.0319mol），加入150ml的二氯甲烷（干燥）。降至-78℃，搅拌，滴加16.2g（分子量162，0.1mol）的一氯化碘溶于50ml二氯甲烷的溶液。激烈搅拌4小时，自然升至室温。加入200ml水，搅拌。分液，蒸干有机层，柱色谱分离，得到17.7g目标分子，分子量722，产率76.8%。
(4)第四步，
1000毫升一口瓶，配电动搅拌，氮气保护，加入第二步最终产物17.7g（分子量722，0.0245mol），二苯胺8.5g（分子量169，0.05mol），碘化亚铜3.0g（分子量190，0.0158mol），碳酸钾40g（138，0.1mol），DMPU溶剂400ml300ml。混合物加热至1750C，激烈搅拌，用TCL板监控反应过程，反应15小时完成。冷却，倾入水中，滤出，干燥，用柱色谱分离，乙酸乙酯和石油醚混合物淋洗，得到目标分子15.47g，产率78.5%。
产物MS（m/e）：804，元素分析（C60H40N2O）：理论值C：89.52％，H：5.01％，N：3.48％，O：1.99%；实测值C：89.55％，H：5.03％，N：3.46％，O：1.96%。
实施例2
化合物2的合成
化合物2的合成共有四步，前三步分别相同于实施例1中的前三步反应，第四步反应同于实施例1的第二步反应，只是将苯并呋喃-3，5-二硼酸改变为对苯基苯硼酸，将1-溴-2-苯乙炔基苯改变为这里第三步合成出的二碘代中间体，得到化合物2。
产物MS（m/e）：722，元素分析（C56H34O）：理论值C：93.05％，H：4.74％，O：2.21％；实测值C：93.1％，H：4.73％，O：2.26％。
实施例3
化合物3的合成
合成步骤共有三步，前二步同于实施例1中的前二步反应。不同的是在第一步的合成中，将苯乙炔改变为1-萘乙炔。
第三步，
500毫升一口瓶，配磁力搅拌，加入第二步最终产物16.3g（分子量570，0.031mol），PtCl2用量0.53g（分子量265，0.002mol）溶于150mL甲苯溶剂中，80℃剧烈搅拌，TLC板监控反应。2小时反应已经完成，继续搅拌1小时。反应完毕，加入少量水中止反应。蒸除溶剂，柱色谱分离，得化合物3共13.3g,产率76.0％。
产物MS（m/e）：570，元素分析（C44H26O）：理论值C：92.60％，H：4.59％，O：2.80％；实测值C：92.63％，H：4.55％，O：2.82％。
实施例4
化合物4的合成
合成步骤共有三步，前二步同于实施例1中的前二步反应。第三步反应同于实施例3的第三步反应，只是用这里合成出的苯并呋喃二炔中间体代替实施例3中的苯并呋喃二炔中间体，得到化合物4。
产物MS（m/e）：470，元素分析（C36H22O）：理论值C：91.89％，H：4.71％，O：3.40％；实测值C：91.85％，H：4.73％，O：3.42％。
实施例5
化合物5的合成
合成共有四步，前三步分别相同于实施例1中的前三步反应。第四步反应同于实施例1的第二步反应，只是将苯并呋喃-3，5-二硼酸改变为联苯-4-硼酸，将1-溴-2-苯乙炔基苯改变为这里第三步合成出的二碘代中间体，得到化合物5。
产物MS（m/e）：774，元素分析（C60H38O）：理论值C：92.99％，H：4.94％，O：2.06%；实测值C：92.96％，H：4.95％，O：2.09%。
实施例6
化合物6的合成
合成共有四步，前三步分别相同于实施例1中的前三步反应。第四步反应同于实施例1的第二步反应，只是将苯并呋喃-3，5-二硼酸改变为4-（1-萘基）苯硼酸，将1-溴-2-苯乙炔基苯改变为这里第三步合成出的二碘代中间体，得到化合物6。
产物MS（m/e）：874，元素分析（C68H42O）：理论值C：93.33％，H：4.84％，O：1.83%；实测值C：93.36％，H：4.85％，O：1.79%。
实施例7
化合物7的合成
合成步骤共有四步，前三步同于同于实施例1中的前三步反应。第四步反应同于实施例1的第二步反应，只是将苯并呋喃-3，5-二硼酸改变为二苯并噻吩-2-硼酸，将1-溴-2-苯乙炔基苯改变为这里第三步合成出的二碘代中间体，得到化合物7。
产物MS（m/e）：834，元素分析（C60H34OS2）：理论值C：86.30％，H：4.10％，O：1.92％，S：7.68%；实测值C：86.33％，H：4.12％，O：1.90％，S：7.65%。
实施例8
化合物8的合成
合成共有四步，前三步分别相同于实施例1中的前三步反应。第四步反应同于实施例1的第二步反应，只是将苯并呋喃-3，5-二硼酸改变为芴-3-硼酸，将1-溴-2-苯乙炔基苯改变为这里第三步合成出的二碘代中间体，得到化合物8。
产物MS（m/e）：854，元素分析（C66H46O）：理论值C：92.71％，H：5.42％，O：1.87%；实测值C：92.75％，H：5.43％，O：1.82%。
下面是本发明化合物的应用实施例：
实施例9
本发明有机薄膜晶体管的制备：
具体步骤包括：（1）有机稠环芳烃衍生物材料的合成和提纯；（2）在带有门电极的基片上制备绝缘层；（3）在绝缘层上沉积所述有机稠环芳烃衍生物材料作为器件的半导体层；（4）制备源/漏电极；（5）采用退火工艺处理器件。
具体步骤也可以是：（1）有机稠环芳烃衍生物材料的合成和提纯；（2’）在带有源/漏电极的基片上制备绝缘层；（3）在绝缘层上沉积所述有机稠环芳烃衍生物材料作为器件的半导体层；（4’）制备门电极；（5）采用退火工艺处理器件。
实施例10
利用已制备上ITO导电薄膜并光刻成图形的玻璃基片作为基底，用丙酮/乙醇(1:1)混合液、去离子水超声清洗基底，清洗好的基底在红外灯下烘干1小时。
把基底置于旋涂机样品台上，设置旋涂机的转速为3500rpm，将绝缘层材料PMMA溶液滴到基底上，并铺满整个基底，开启旋涂设备，30秒后设备停止，在ITO玻璃基底上形成均匀的绝缘层薄膜膜。
把基底固定在制备晶体管栅极的模板上，并置模板和基底于真空腔室中，待真空度达到5×10-3Pa后，蒸镀有机稠环芳烃衍生物薄膜材料,本实验选用化合物1、2、4、6和8作为有机稠环芳烃衍生物材料例证，蒸镀速率为蒸镀膜厚为10-100nm。把基底所在的载物台加热对基片进行退火，在60℃条件下进行退火3小时。
真空度达到3×10-3Pa后，开始蒸镀金属金Au电极，厚度为80nm。
待基片冷却后，从真空中取出模板，取出模板中的试验片，至此器件制备完成。
表1为本实验制备的有机薄膜晶体管特性测试数据
所用化合物 场效应迁移率（cm2V-1s-1） 开关电流比
1 0.8 6x105
2 0.9 5x105
4 0.8 7x105
6 0.7 8x105
8 0.5 9x105
以上结果表明，本发明的新型有机稠环芳烃衍生物，是性能优异的制作有机薄膜晶体管半导体材料。
尽管结合实施例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述实施例，应当理解，在本发明构思的引导下，本领域技术人员可进行各种修改和改进，所附权利要求概括了本发明的范围。

Claims (11)

1.一种有机薄膜晶体管，包括基片、源/漏电极、门电极，以及位于源/漏电极和门电极之间的半导体层和绝缘层，其特征在于，所述半导体层材料为结构通式如下式(Ⅰ)所示有机稠环芳烃衍生物，
其中：Ar1-Ar8独立选自H、C6～C30的取代或非取代的芳烃基团、C6～C30的取代或非取代的稠环芳烃基团、C6～C30的取代或非取代的稠杂环基团、五元、六元的杂环或取代杂环、三芳胺基基团、二苯胺基基团、芳醚团基基团、C1～C20的取代或非取代的脂肪族烷基基团中的一种；
且Ar1-Ar8为H。
2.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机稠环芳烃衍生物通式(Ⅰ)中，Ar1-Ar8分别独立选自苯基、取代的苯基、联苯基、萘基、取代的萘基、咔唑基、取代的咔唑基、三芳胺基、二苯胺基、N-苯基萘胺基、二苯并噻吩基、取代的二苯并噻吩基、二苯并呋喃基、取代的二苯并呋喃基。
3.根据权利要求1或2所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述半导体层的材料选自以下结构式：
4.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述基片所用材料选自玻璃、硅片、金属、陶瓷或者有机高分子材料。
5.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述基片是柔性基片。
6.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述的半导体层的厚度在10-100nm范围内。
7.根据权利要求1所述的有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机薄膜晶体管中的源/漏电极或门电极厚度为10-200nm。
8.一种制备权利要求1所述的有机薄膜晶体管的方法，具体步骤包括：
(1)有机稠环芳烃衍生物材料的合成和提纯；
(2)在带有门电极的基片上制备绝缘层；
(3)在绝缘层上沉积所述有机稠环芳烃衍生物材料作为器件的半导体层；
(4)制备源/漏电极；
(5)采用退火工艺处理器件。
9.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述有机稠环芳烃衍生物薄膜层是在真空腔室中蒸镀制备的，蒸镀速度为
10.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述有机稠环芳烃衍生物薄膜层是通过把所述有机稠环芳烃衍生物溶解在溶剂中，通过旋涂、喷墨打印和印刷湿法制备的。
11.根据权利要求8所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述退火工艺步骤中控制温度为50℃至120℃，退火时间为1-4小时。
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