CN105679939A - 一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105679939A CN105679939A CN201610145849.7A CN201610145849A CN105679939A CN 105679939 A CN105679939 A CN 105679939A CN 201610145849 A CN201610145849 A CN 201610145849A CN 105679939 A CN105679939 A CN 105679939A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- organic
- active coating
- thiophene
- drain electrode
- film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- YTPLMLYBLZKORZ-UHFFFAOYSA-N Thiophene Chemical compound C=1C=CSC=1 YTPLMLYBLZKORZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 39
- 229930192474 thiophene Natural products 0.000 title claims abstract description 20
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 11
- MLCPSWPIYHDOKG-BUHFOSPRSA-N (3e)-3-(2-oxo-1h-indol-3-ylidene)-1h-indol-2-one Chemical compound O=C\1NC2=CC=CC=C2C/1=C1/C2=CC=CC=C2NC1=O MLCPSWPIYHDOKG-BUHFOSPRSA-N 0.000 title abstract 4
- 238000002353 field-effect transistor method Methods 0.000 title 1
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 49
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 49
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 39
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 39
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 14
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 13
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 claims description 11
- 235000000177 Indigofera tinctoria Nutrition 0.000 claims description 10
- 229940097275 indigo Drugs 0.000 claims description 10
- COHYTHOBJLSHDF-UHFFFAOYSA-N indigo powder Natural products N1C2=CC=CC=C2C(=O)C1=C1C(=O)C2=CC=CC=C2N1 COHYTHOBJLSHDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N Naphthalene Chemical compound C1=CC=CC2=CC=CC=C21 UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N anthracene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC=CC=C3C=C21 MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 8
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 8
- ZUOUZKKEUPVFJK-UHFFFAOYSA-N diphenyl Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=CC=CC=C1 ZUOUZKKEUPVFJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 239000004567 concrete Substances 0.000 claims description 5
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 5
- FCEHBMOGCRZNNI-UHFFFAOYSA-N 1-benzothiophene Chemical compound C1=CC=C2SC=CC2=C1 FCEHBMOGCRZNNI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 claims description 4
- 150000004996 alkyl benzenes Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 4
- XYOVOXDWRFGKEX-UHFFFAOYSA-N azepine Chemical compound N1C=CC=CC=C1 XYOVOXDWRFGKEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 235000010290 biphenyl Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000004305 biphenyl Substances 0.000 claims description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 4
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 claims description 4
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000008204 material by function Substances 0.000 claims description 4
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims description 4
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 claims description 4
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000005669 field effect Effects 0.000 abstract 1
- 229920000123 polythiophene Polymers 0.000 abstract 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 24
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 24
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 23
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229920000301 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) polymer Polymers 0.000 description 11
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- SLYCYWCVSGPDFR-UHFFFAOYSA-N octadecyltrimethoxysilane Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC[Si](OC)(OC)OC SLYCYWCVSGPDFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 3
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- JXDYKVIHCLTXOP-UHFFFAOYSA-N isatin Chemical class C1=CC=C2C(=O)C(=O)NC2=C1 JXDYKVIHCLTXOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 3
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 3
- 238000007738 vacuum evaporation Methods 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 ZrO2Or stupalith Chemical class 0.000 description 2
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 description 2
- 230000005527 interface trap Effects 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000011982 device technology Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
- H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
- H10K85/657—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
- H10K10/40—Organic transistors
- H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
- H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/10—Organic polymers or oligomers
- H10K85/111—Organic polymers or oligomers comprising aromatic, heteroaromatic, or aryl chains, e.g. polyaniline, polyphenylene or polyphenylene vinylene
- H10K85/113—Heteroaromatic compounds comprising sulfur or selene, e.g. polythiophene
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
本发明属于有机电子器件技术领域，提供一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管，所述有机薄膜晶体管包括栅电极、源电极、漏电极、活性层和绝缘层，栅电极与源电极、漏电极之间通过绝缘层绝缘，源电极与漏电极相互不接触并以活性层为导电通道，其特征在于，采用有机聚合物掺杂的有机半导体材料作为有机薄膜器件晶体管的活性层；所述作为掺杂的聚合物为聚噻吩衍生物，所述有机半导体材料是一种含有噻吩异靛结构的有机小分子材料。本发明有效改善了有机薄膜晶体管的可控性，提高了器件性能，且工艺简单，成本降低，适于大规模生产。所述有机小分子材料具有如下结构通式：
Description
技术领域
本发明属于有机电子器件技术领域，具体涉及一种采用有机小分子材料改善有机薄膜晶体管可控性的方法以及得到的有机薄膜场效应晶体管。
背景技术
有机薄膜场效应晶体管(OTFT)是电子信息技术发展的一个重要方向，如何进一步实现其低成本、高性能、可大面积加工、可集成柔性基底等优点是近年来研究的主攻方向。为了进一步增强OTFT性能，研究工作主要集中在以下几个方面：探寻合成路线以构建出更利于载流子传输的材料模型，主要用于活性层、介电层和部分修饰层材料材料(JianguoMei,YingDiao,AnthonyL.Appleton,LeiFang,andZhenanBao*,J.Am.Chem.Soc.2013,135,6724-6746)；开发新的制备工艺。相比而言，可全溶液法等获得的OTFT器件制备技术在大面积、低成本的需求中更具优势(peiHan,aXiaohuiGong,aBaopingLin,*aZhenhongJia,bShanghuiYe,*bYingSuna，RSCAdv.2015,5,50098)；更复杂的多层间结构和层间修饰工艺，由于载流子流经的活性层层间结构距离仅为几个分子的厚度，所以半导体和介电层的界面效应成为改善OTFT性能的重要方式之一，通过适当的界面修饰或自组装处理可以显著提升其介电常数和载流子迁移率(X.zhao,Q.Tang,H.Tian,Y.Tong,andY.Liu,Org.Electron.2015,16171-176)。
有机薄膜器件使用的有机活性材料可分为两类，一是聚合物，如聚噻吩衍生物poly(3-hexylthiophene)，简称P3HT；另一类则是小分子，如新型的噻吩异靛衍生物等，越来越多的研究致力于改善OTFT载流子迁移率、电流开关比、阈值电压和亚阈值摆幅等性能参数的有机新型功能材料的使用(BrandonH.Smith,MichaelB.ClarkJr.,HaoKuang,ChristopherGrieco,AlecV.Larsen,ChenhuiZhu,ChengWang,AlexanderHexemer,JohnB.Asbury,MichaelJ.Janik,andEnriqueD.Gomez*，adv,funct.mater.2015,25,542-552)。OTFT经典活性层材料的单一使用使得性价比无法进一步提升，导致基于OTFT器件的产业化生产应用明显不足。传统OTFT及其制备方法存在制备工艺复杂，实验室级技术与社会生产工艺难以对接，单一经典活性层材料制备成本过高性能平庸，传统器件能耗大实用性低等问题，因而我们提出一种既能在原有基础上实现难度小，工艺简单降低成本且有效提高器件性能的方法，合适的掺杂优化比例可以使OTFT在保持较低阈值电压的条件下，载流子迁移率提升两个以上数量级，开关比也能上升一个数量级，解决了上述技术问题，具有重要的意义。
发明内容
鉴于现有技术中存在上述技术问题，本发明公开了一种采用新型有机小分子活性材料改善有机薄膜晶体管可控性的方法，提供了一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管及其制备方法，其利用聚合物掺杂的噻吩异靛衍生物小分子材料制备有机薄膜晶体管活性层，使其表面形貌具备更好的平整度和结晶度，改善活性层与介电层和金属电极之间界面特性。从而有效改善了有机薄膜晶体管的可控性，提高了器件性能，且工艺简单，成本降低，适于大规模生产，具备显著的经济和推广价值。本发明采用技术方案如下：
本发明提供了一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管，其中有机薄膜晶体管包括栅电极、源电极、漏电极、活性层和绝缘层，栅电极与源电极、漏电极之间通过绝缘层绝缘，源电极与漏电极相互不接触并以活性层为导电通道，。其中，采用有机聚合物掺杂的有机半导体材料作为有机薄膜器件晶体管的活性层；所述作为掺杂的聚合物为聚噻吩衍生物，所述有机半导体材料是一种含有噻吩异靛结构的有机小分子材料，其为一种具有高载流子迁移率的功能材料，所述材料具有如下结构通式：
其中，R＝苯环，萘，蒽，烷基苯，芳香烃，噻吩，联苯，含氮杂稠环，苯并噻吩、及其衍生物的一种或多种。
所述活性层的聚合物掺杂浓度为有机半导体材料质量的1％-40％，活性层的厚度为10nm-500nm，可通过溶液制膜法，喷墨印刷、凹版印刷或丝网印刷等方法制备而成。
所述绝缘层为聚合物薄膜或无机化合物薄膜，所述无机化合物材料为金属氧化物，如ZrO2或陶瓷材料，如TiO2。另外，所述绝缘层可通过修饰层修饰绝缘性能。
所述源电极和漏电极材料为金属导电材料或有机导电材料，所述有机导电材料为PEDOT:PSS或纳米碳管。
本发明还提供了上述基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管的制备方法，其具体步骤为：
(1)选择合适的栅电极材料，并在其上面生成绝缘层，并将得到的基片清洗干燥；
(2)将聚合物和有机半导体材料掺杂，将掺杂后的混合物在步骤(1)得到的基片上生成活性层；其中，所述有机半导体材料是一种含有噻吩异靛结构的有机小分子材料，其为一种具有高载流子迁移率的功能材料，所述材料具有如下结构通式：
其中，R＝苯环，萘，蒽，烷基苯，芳香烃，噻吩，联苯，含氮杂稠环，苯并噻吩、及其衍生物的一种或多种，所述作为掺杂的聚合物为聚噻吩衍生物；
(3)在步骤(2)中得到的基片上生成源电极和漏电极。
在步骤(2)中，所述聚合物掺杂浓度为有机半导体材料质量的10％-40％，活性层的厚度为10nm-500nm，可通过溶液制膜法，喷墨印刷、凹版印刷或丝网印刷等方法制备而成。
在步骤(1)中，所述绝缘层为聚合物薄膜或无机化合物薄膜，所述无机化合物材料为金属氧化物，如ZrO2或陶瓷材料，如TiO2。
在步骤(3)中，所述源电极和漏电极材料为金属导电材料或有机导电材料，所述有机导电材料为PEDOT:PSS或纳米碳管。
用原子力显微镜图像(AFM)图与X射线衍射图像(XRD)分析上述有机小分子和聚合物掺杂结构，可以看到二者的混合颗粒较大，并且按照棒状与层状的混合方式排列，从而提高了粒子间的排列的紧密型以及有序性，减少界面陷阱电荷和接触电阻，提高空穴传输的导电性，增强了载流子的传输，提高了器件电性能。
本发明利用聚合物掺杂的噻吩异靛衍生物小分子材料制备有机薄膜晶体管活性层，使其表面形貌具备更好的平整度和结晶度，改善活性层与介电层和金属电极之间界面特性，制得的有机薄膜晶体管具有很高的可控性，通过选取合适的掺杂剂，可有效改善有机薄膜晶体管的可控的电性能，可以保持1伏以下阈值电压的前提下提高器件迁移率两个以上数量级和开关比一个数量级。
本发明提供的有机薄膜晶体管的结构简单，制备工艺便于操作，仅仅采用简单的掺杂法，将聚合物掺杂到有机小分子材料制备有机薄膜晶体管活性层；本发明用于工业领域，活性层可通过喷墨打印、旋涂或滴膜等湿法工艺，便于大面积制作，降低制作成本，具有广阔的应用前景。另外，本方法所描述的掺杂法可通过改变有机薄膜晶体管器件的结构来实现顶栅和底栅等不同结构下的可控性提升。从而有效改善了有机薄膜晶体管的可控性，提高了器件性能，且工艺简单，成本降低，适于大规模生产，具备显著的经济和推广价值。
本发明的有益效果为：(1)本发明提供的有机薄膜晶体管的结构简单，制备工艺便于操作；(2)有效改善了有机薄膜晶体管的可控性，提高了器件电性能；(3)本发明所描述的掺杂法工艺简单，成本降低，便于大面积制作，降低制作成本，具备显著的经济和推广价值；(4)本方法所描述的掺杂法可通过改变有机薄膜晶体管器件的结构来实现顶栅和底栅等不同结构下的可控性提升。
附图说明
图1为本发明实施例中有机薄膜晶体管的结构示意图；
图2为本发明实施例1的转移特性曲线；
图3为本发明实施例1的输出特性曲线；
图4为本发明实施例1中活性层的原子力显微镜图(AFM)；
图5为本发明实施例1中活性层的X射线衍射图(XRD)；
图6为本发明实施例1的OTFT载流子迁移率在不同P3HT掺杂浓度下的比较；
图7为本发明实施例1的OTFT电流开关比在不同P3HT掺杂浓度下的比较；
图8为本发明实施例1的OTFT阈值电压在不同P3HT掺杂浓度下的比较。
具体实施方式
为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体实施例来进一步阐述本发明的技术方案。但实施实例并不限定本发明的保护范围。
实施例1
本实施例中的有机薄膜晶体管的结构如图1所示，从下向上依次为P型Si栅电极基底、SiO2绝缘层、OTS绝缘修饰层、活性层和Au源电极、Au漏电极。其中，活性层采用有机聚合物掺杂的有机半导体材料；所述作为掺杂的聚合物为聚噻吩衍生物P3HT，所述有机半导体材料是一种含有噻吩异靛结构的有机小分子材料NaphTII，其为一种具有高载流子迁移率的功能材料，P3HT和NaphTII的分子结构为：
本实施例中所述活性层的聚合物P3HT的掺杂浓度为NaphTII质量的25％，活性层的厚度为60nm，通过溶液制膜法中的旋涂方法制备而成。
本实施例中的有机薄膜晶体管的制备的具体步骤为：
(1)本发明采用切割规格1.5cm×1.5cm的单光抛面的p型掺杂硅片作为基底和栅电极，硅片另一单面生长约350nm致密二氧化硅层作为栅电介层。将此硅片依次经去离子水清洗15分钟、丙酮清洗30分钟、乙醇清洗30分钟，在120℃下烘20分钟后取出放入培养皿，在培养皿中硅片旁用毛细吸管滴入微量十八烷基三甲氧基硅烷(OTS)后置入真空干燥箱，真空加热至120℃烘5小时后取出经二氯甲烷清洗20分钟，乙醇清洗20分钟后使用氮气吹干,经以上方法处理过的硅片置入氮气手套箱；
(2)聚合物P3HT按浓度为25wt％掺杂至NaphTII混合后溶解至氯仿配制成4mg/ml混合溶液。氮气手套箱中将混合溶液旋涂至处理过的硅片，在120℃热退火处理15分钟，其中旋涂转速为500r/min持续5秒后转为3200r/min持续30秒，控制活性层的厚度为60nm；
(3)上述硅片热退火处理后转移至真空腔室，在基片上装好金属掩模板，真空蒸镀沉积金源极和漏电极，其中金属掩模板的沟道长宽分别为100μm，8800μm。电极蒸镀完毕后，用测试台探针分别连接硅片的源漏电极和栅电极并通过Keithley源表在空气环境中进行电学性能分析，如图2和图3所示，图2为本发明实施例1的转移特性曲线，图3为本发明实施例1的输出特性曲线，其中P3HT在活性层中掺杂浓度为25wt％。测试完毕后，盖上盖玻璃封装，完成有机薄膜晶体管器件制备测试和封装过程。
通过研究对比原子力显微镜图像(AFM)图与X射线衍射图像(XRD)分析图，如图5所示，观察到掺杂后的NaphTII和P3HT混合颗粒较大，并且按照棒状与层状的混合方式排列，从而提高了粒子间的排列的紧密型以及有序性，减少界面陷阱电荷和接触电阻，提高空穴传输的导电性，增强了载流子的传输，提高了器件电性能。
本实施例中采用了底栅结构的晶体管，而本发明所述的晶体管还适用于顶栅结构的晶体管。
实施例2
本实施例中的有机薄膜晶体管的结构与实施例1相同，活性层也与实施例1相同，采用有机聚合物聚合物P3HT掺杂的有机半导体材料NaphTII。
本实施例中所述活性层的聚合物P3HT的掺杂浓度为NaphTII质量的10％，活性层的厚度为500nm，通过溶液制膜法中的旋涂方法制备而成。
本实施例中的有机薄膜晶体管的制备的具体步骤为：
(1)本发明采用切割规格1.5cm×1.5cm的单光抛面的p型掺杂硅片作为基底和栅电极，硅片另一单面生长约350nm致密二氧化硅层作为栅电介层。将此硅片依次经去离子水清洗15分钟、丙酮清洗30分钟、乙醇清洗30分钟，在120℃下烘20分钟后取出放入培养皿，在培养皿中硅片旁用毛细吸管滴入微量十八烷基三甲氧基硅烷(OTS)后置入真空干燥箱，真空加热至120℃烘5小时后取出经二氯甲烷清洗20分钟，乙醇清洗20分钟后使用氮气吹干,经以上方法处理过的硅片置入氮气手套箱；
(2)聚合物P3HT按浓度为25wt％掺杂至NaphTII混合后溶解至氯仿配制成4mg/ml混合溶液。氮气手套箱中将混合溶液旋涂至处理过的硅片，在120℃热退火处理15分钟，其中旋涂转速为500r/min持续5秒后转为3200r/min持续30秒，控制活性层的厚度为500nm；
(3)上述硅片热退火处理后转移至真空腔室，在基片上装好金属掩模板，真空蒸镀沉积金源极和漏电极，其中金属掩模板的沟道长宽分别为100μm，8800μm。电极蒸镀完毕后，用测试台探针分别连接硅片的源漏电极和栅电极并通过Keithley源表在空气环境中进行电学性能分析。测试完毕后，盖上盖玻璃封装，完成有机薄膜晶体管器件制备测试和封装过程。
实施例3
本实施例除了活性层的聚合物P3HT的掺杂浓度为NaphTII质量的40％外，其他与实施例1相同。
本实施例中的有机薄膜晶体管的结构与实施例1相同，活性层也与实施例1相同，采用有机聚合物聚合物P3HT掺杂的有机半导体材料NaphTII。
本实施例中所述活性层的聚合物P3HT的掺杂浓度为NaphTII质量的40％，活性层的厚度为10nm，通过溶液制膜法中的旋涂方法制备而成。
本实施例中的有机薄膜晶体管的制备的具体步骤为：
(1)本发明采用切割规格1.5cm×1.5cm的单光抛面的p型掺杂硅片作为基底和栅电极，硅片另一单面生长约350nm致密二氧化硅层作为栅电介层。将此硅片依次经去离子水清洗15分钟、丙酮清洗30分钟、乙醇清洗30分钟，在120℃下烘20分钟后取出放入培养皿，在培养皿中硅片旁用毛细吸管滴入微量十八烷基三甲氧基硅烷(OTS)后置入真空干燥箱，真空加热至120℃烘5小时后取出经二氯甲烷清洗20分钟，乙醇清洗20分钟后使用氮气吹干,经以上方法处理过的硅片置入氮气手套箱；
(2)聚合物P3HT按浓度为25wt％掺杂至NaphTII混合后溶解至氯仿配制成4mg/ml混合溶液。氮气手套箱中将混合溶液旋涂至处理过的硅片，在120℃热退火处理15分钟，其中旋涂转速为500r/min持续5秒后转为3200r/min持续30秒，控制活性层的厚度为10nm；
(3)上述硅片热退火处理后转移至真空腔室，在基片上装好金属掩模板，真空蒸镀沉积金源极和漏电极，其中金属掩模板的沟道长宽分别为100μm，8800μm。电极蒸镀完毕后，用测试台探针分别连接硅片的源漏电极和栅电极并通过Keithley源表在空气环境中进行电学性能分析。测试完毕后，盖上盖玻璃封装，完成有机薄膜晶体管器件制备测试和封装过程。
图6、图7、图8为本发明实施例所提供的OTFT器件载流子迁移率、开关比和阈值电压随不同P3HT掺杂浓度下的变化曲线，从图中可以看出掺杂浓度25wt％时迁移率达到2.37×10-2cm2V-1s-1，同时电流开关比达104。随着P3HT掺杂浓度增加至25％，载流子迁移率相比于未掺杂时提升了两个数量级，开关比提升一个数量级，整个过程中有机薄膜晶体管器件的阈值电压保持在较低值。
以上数据仅为本发明的较佳实例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管，所述有机薄膜晶体管包括栅电极、源电极、漏电极、活性层和绝缘层，栅电极与源电极、漏电极之间通过绝缘层绝缘，源电极与漏电极相互不接触并以活性层为导电通道，其特征在于，采用有机聚合物掺杂的有机半导体材料作为有机薄膜器件晶体管的活性层；所述作为掺杂的聚合物为聚噻吩衍生物，所述有机半导体材料是一种含有噻吩异靛结构的有机小分子材料，所述有机小分子材料具有如下结构通式：
其中，R＝苯环，萘，蒽，烷基苯，芳香烃，噻吩，联苯，含氮杂稠环，苯并噻吩、及其衍生物的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的有机薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述活性层的聚合物掺杂浓度为有机半导体材料质量的10％-40％。
3.根据权利要求1或2所述的有机薄膜场效应晶体管，其特征在于，活性层的厚度为10nm-500nm，可通过溶液制膜法，喷墨印刷、凹版印刷或丝网印刷制备而成。
4.根据权利要求1或2所述的有机薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘层为聚合物薄膜或无机化合物薄膜；所述源电极和漏电极材料为金属导电材料或有机导电材料。
5.根据权利要求4所述的有机薄膜场效应晶体管，其特征在于，所述无机化合物材料为金属氧化物或陶瓷材料，所述有机导电材料为PEDOT:PSS或纳米碳管。
6.一种如权利要求1所述的有机薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：
(1)选择合适的栅电极材料，并在其上面生成绝缘层，并将得到的基片清洗干燥；
(2)将聚合物和有机半导体材料掺杂，将掺杂后的混合物在步骤(1)得到的基片上生成活性层；其中，所述有机半导体材料是一种含有噻吩异靛结构的有机小分子材料，其为一种具有高载流子迁移率的功能材料，所述材料具有如下结构通式：
其中，R＝苯环，萘，蒽，烷基苯，芳香烃，噻吩，联苯，含氮杂稠环，苯并噻吩、及其衍生物的一种或多种，所述作为掺杂的聚合物为聚噻吩衍生物；
(3)在步骤(2)中得到的基片上生成源电极和漏电极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述聚合物掺杂浓度为有机半导体材料质量的10％-40％。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述活性层的厚度为10nm-500nm，可通过溶液制膜法，喷墨印刷、凹版印刷或丝网印刷制备而成。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述绝缘层为聚合物薄膜或无机化合物薄膜，所述无机化合物材料为金属氧化物或陶瓷材料。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述源电极和漏电极材料为金属导电材料或有机导电材料，所述有机导电材料为PEDOT:PSS或纳米碳管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610145849.7A CN105679939A (zh) | 2016-03-15 | 2016-03-15 | 一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610145849.7A CN105679939A (zh) | 2016-03-15 | 2016-03-15 | 一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105679939A true CN105679939A (zh) | 2016-06-15 |
Family
ID=56310435
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610145849.7A Pending CN105679939A (zh) | 2016-03-15 | 2016-03-15 | 一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105679939A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106784315A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-05-31 | 南京邮电大学 | 一种改善柔性打印有机薄膜晶体管的制作方法 |
| CN107644936A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-01-30 | 信利半导体有限公司 | 一种有机薄膜晶体管及其制备方法 |
| CN108831904A (zh) * | 2018-06-22 | 2018-11-16 | 福州大学 | 一种垂直结构有机薄膜晶体管阵列及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014205024A1 (en) * | 2013-06-18 | 2014-12-24 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Method for preparing dioxyheterocycle-based electrochromic polymers |
| WO2015139802A1 (en) * | 2014-03-17 | 2015-09-24 | Merck Patent Gmbh | Organic semiconducting compounds |
| CN104993053A (zh) * | 2015-05-26 | 2015-10-21 | 南京邮电大学 | 一种改善有机薄膜晶体管性能的方法 |
-
2016
- 2016-03-15 CN CN201610145849.7A patent/CN105679939A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014205024A1 (en) * | 2013-06-18 | 2014-12-24 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Method for preparing dioxyheterocycle-based electrochromic polymers |
| WO2015139802A1 (en) * | 2014-03-17 | 2015-09-24 | Merck Patent Gmbh | Organic semiconducting compounds |
| CN104993053A (zh) * | 2015-05-26 | 2015-10-21 | 南京邮电大学 | 一种改善有机薄膜晶体管性能的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| GYOUNGSIK KIM ET AL.: "A Thienoisoindigo-Naphthalene Polymer with Ultrahigh Mobility of 14.4 cm2/V·s That Substantially Exceeds Benchmark Values for Amorphous Silicon Semiconductors", 《J.AM.CHEM. SOC.》 * |
| PEI HAN ET AL.: "Solution processable low bandgap thienoisoindigo-based small molecules for organic electronic devices", 《RSC ADVANCES》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106784315A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-05-31 | 南京邮电大学 | 一种改善柔性打印有机薄膜晶体管的制作方法 |
| CN107644936A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-01-30 | 信利半导体有限公司 | 一种有机薄膜晶体管及其制备方法 |
| CN107644936B (zh) * | 2017-09-27 | 2024-02-27 | 信利半导体有限公司 | 一种有机薄膜晶体管及其制备方法 |
| CN108831904A (zh) * | 2018-06-22 | 2018-11-16 | 福州大学 | 一种垂直结构有机薄膜晶体管阵列及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sun et al. | Advances in organic field-effect transistors | |
| CN104919596B (zh) | 双极型垂直场效应晶体管 | |
| Malenfant et al. | N-type organic thin-film transistor with high field-effect mobility based on a N, N′-dialkyl-3, 4, 9, 10-perylene tetracarboxylic diimide derivative | |
| Li et al. | Patterning technology for solution-processed organic crystal field-effect transistors | |
| CN105679938B (zh) | 一种螺环小分子浮栅型有机场效应晶体管存储器及其制备方法 | |
| Novak et al. | Influence of self-assembled monolayer dielectrics on the morphology and performance of α, ω-dihexylquaterthiophene in thin film transistors | |
| Qi et al. | All-brush-painted top-gate organic thin-film transistors | |
| CN101192623A (zh) | 具有双层电极的有机薄膜晶体管 | |
| CN101101967A (zh) | 低成本高性能有机场效应晶体管及制备方法 | |
| WO2012080701A1 (en) | Semiconductor blend | |
| Zessin et al. | Threshold voltage control in organic field-effect transistors by surface doping with a fluorinated alkylsilane | |
| Watanabe et al. | Microcrystallization of a Solution-Processable Organic Semiconductor in Capillaries for High-Performance Ambipolar Field-Effect Transistors | |
| CN106711330B (zh) | 一种有机薄膜晶体管及其制造方法 | |
| CN101339975A (zh) | 一种具有高迁移率的有机场效应晶体管及其制备方法 | |
| CN105679939A (zh) | 一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管及其制备方法 | |
| Li et al. | A novel TFT with organic-inorganic hybrid perovskite channel layer | |
| JP2009253142A (ja) | 半導体素子及びその製造方法と、該半導体素子を備えた電子デバイス | |
| Kwon et al. | A 6, 13-bis (Triisopropylsilylethynyl) pentacene thin-film transistor using a spun-on inorganic gate-dielectric | |
| Liu et al. | Experimental study and statistical analysis of solution-shearing processed organic transistors based on an asymmetric small-molecule semiconductor | |
| Diallo et al. | Towards solution-processed ambipolar hybrid thin-film transistors based on ZnO nanoparticles and P3HT polymer | |
| US7309876B2 (en) | Organic semiconductor having polymeric and nonpolymeric constituents | |
| Kalita et al. | The effect of inorganic/organic dual dielectric layers on the morphology and performance of n-channel OFETs | |
| Kong et al. | Solution-processable (Pc′) Eu (Pc′) Eu [TP (OH) PP]/rGO bilayer heterojunction organic transistors with exceptional excellent ambipolar performance | |
| CN100487939C (zh) | 以单分子层作为取向传递层的有机场效应管及其制备方法 | |
| CN103746075B (zh) | 一种改善有机薄膜晶体管稳定性的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160615 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |