CN106941131A - 一种定位自组装有机半导体薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定位自组装有机半导体薄膜晶体管及其制备方法。本发明以石墨烯和h‑BN为模板进行自组装生长有机半导体薄膜，有机半导体薄膜与石墨烯之间形成较好的接触，从而实现定位自组装有机半导体薄膜晶体管；自组装过程中无需溶剂介入，不受材料溶解性的限制，自组装过程简单；自组装过程中无需高真空条件，可降低生产成本；自组装过程最高温度为130℃，能应用于PET等柔性衬底；石墨烯与h‑BN具有良好的透光性，有利于制作透明器件；由于大面积制备石墨烯以及h‑BN的工艺已经成熟，该方法可以被推广到大面积自组装有机半导体薄膜晶体管，在柔性有机电子、光电子器件及显示器件领域有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及有机半导体薄膜晶体管制备技术，具体涉及一种定位自组装有机半导体薄膜晶体管及其制备方法。
背景技术
有机半导体由于其选材广泛、成本低廉并且能和柔性器件兼容等优点受到了广泛关注。在有机电子与光电子领域，有机半导体薄膜晶体管是一个重要元器件，它在有源矩阵显示驱动器，射频标签，生物医药以及集成电路中有着重要应用。现有的有机半导体成膜方法主要有真空热蒸发镀膜和溶液法两大类。而在有机逻辑电路的制造过程中一个重要的环节就是对电路进行图形化制备。现有的有机半导体图形化加工工艺有光刻、掩模技术、纳米压印、喷墨打印等，这些方法由于需要复杂的工艺或产率较低，限制了其在大规模制备有机半导体薄膜晶体管方面的应用。并且，这些方法通常需要使用多种溶剂，很多材料因为受到溶解性的限制而无法使用。因此，发明一种简单且适合于大规模生产的无需溶剂介入的有机半导体薄膜晶体管定位自组装技术极为重要。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种定位自组装有机半导体薄膜晶体管及其制备方法。
本发明的一个目的在于提出一种定位自组装有机半导体薄膜晶体管。
本发明的定位自组装有机半导体薄膜晶体管包括：衬底、六方氮化硼h-BN、石墨烯、金属电极和有机半导体薄膜；其中，衬底包括下层的导电层以及上层的绝缘层；在衬底的绝缘层上形成h-BN；在h-BN的两端分别叠放石墨烯，两端的石墨烯与h-BN有交叠但不完全覆盖h-BN，并保持h-BN的中间部分暴露；在两端的石墨烯上分别形成金属电极，金属电极不完全覆盖石墨烯；在低压管式炉中通过控制温度、气压和时间，在中真空环境下以暴露出来的h-BN和石墨烯为模板，在暴露出来的h-BN和石墨烯上自组装生长有机半导体薄膜，从而实现由石墨烯作为接触电极，h-BN上的有机半导体薄膜作为沟道的有机半导体薄膜晶体管。
石墨烯为单层或多层。h-BN为单层或多层。
本发明的另一个目的在于提出一种定位自组装有机半导体薄膜晶体管的制备方法。
本发明的定位自组装有机半导体薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
1)提供衬底，衬底包括下层的导电层以及上层的绝缘层；
2)在衬底上制备h-BN；
3)制备石墨烯；
4)将石墨烯分别叠放在h-BN的两端，两端的石墨烯与h-BN有交叠但不完全覆盖h-BN，并保持h-BN的中间部分暴露；
5)在两端的石墨烯上分别形成金属电极，金属电极不完全覆盖石墨烯；
6)将步骤5)得到的样品放入低压管式炉的低温区，有机源材料放置在低压管式炉的高温区，通过控制温度、气压和时间，以暴露出来的h-BN和石墨烯为模板，在中真空环境下在暴露出来的h-BN和石墨烯上自组装生长有机半导体薄膜，完成后自然降温至室温，从而实现由石墨烯作为接触电极，h-BN上的有机半导体薄膜作为沟道的有机半导体薄膜晶体管。
其中，在步骤2)中，采用机械剥离的方法在衬底上制备h-BN，形成规则形状的h-BN；或采用化学气相沉积CVD制备大面积h-BN，再通过光刻和刻蚀的方法形成规则形状的h-BN。
在步骤3)中，采用机械剥离的方法制备规则形状的石墨烯；或者采用CVD制备大面积石墨烯，再通过光刻和刻蚀的方法形成规则形状的石墨烯。
在步骤6)中，低压管式炉的低温区的温度为70～100℃，低压管式炉的高温区的温度为100～130℃，气压为1～100Pa，升温时间为10～60min，自组装生长的时间为1～30min。源材料采用有机半导体。
本发明的优点：
本发明以石墨烯和h-BN为模板进行自组装生长有机半导体薄膜，有机半导体薄膜与石墨烯之间形成较好的接触，从而实现定位自组装有机半导体薄膜晶体管；自组装过程中无需溶剂介入，不受材料溶解性的限制，自组装过程简单；自组装过程中无需高真空条件，可降低生产成本；自组装过程最高温度为130℃，能应用于PET等柔性衬底；石墨烯与h-BN具有良好的透光性，有利于制作透明器件；由于大面积制备石墨烯以及h-BN的工艺已经成熟，该方法可以被推广到大面积自组装有机半导体薄膜晶体管，在柔性有机电子、光电子器件及显示器件领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为根据本发明的定位自组装有机半导体薄膜晶体管的制备方法的一个实施例将机械剥离的石墨烯叠放在h-BN两端的示意图；
图2(a)～(d)为根据本发明的定位自组装有机半导体薄膜晶体管的制备方法的一个实施例放入低压管式炉以前的流程图；
图3为根据本发明的定位自组装有机半导体薄膜晶体管的制备方法的一个实施例放入低压管式炉的示意图；
图4为根据本发明的定位自组装有机半导体薄膜晶体管的制备方法的一个实施例得到的有机半导体薄膜晶体管的光学显微图和原子力显微图，其中，(a)为通过微区精确转移技术在h-BN两端叠放石墨烯的光学显微图，(b)为图(a)中h-BN的原子力显微图及划线处的台阶高度图，(c)为自组装生长有机半导体薄膜之后的光学显微图，(d)为图(c)中的h-BN的原子力显微图及划线处的台阶高度图；
图5为根据本发明的定位自组装有机半导体薄膜晶体管的制备方法的一个实施例得到的有机半导体薄膜的拉曼光谱图；
图6为根据本发明的定位自组装有机半导体薄膜晶体管的制备方法的一个实施例得到的有机半导体薄膜晶体管的电学测量结果图，其中，(a)为有机薄膜晶体管的输出特性曲线图，(b)为有机薄膜晶体管的转移特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例，进一步阐述本发明。
本实施例的定位自组装有机半导体薄膜晶体管的制备方法，如图1、2和3所示，包括以下步骤：
1)提供衬底，衬底包括下层的导电层6以及上层的绝缘层5：
下层为重掺杂p型Si，上层为SiO2，SiO2厚度为285nm。
2)在衬底上制备h-BN：
采用机械剥离的方法在SiO2衬底上制备六方氮化硼4，在显微镜下选择大小和形状合适的h-BN，尺寸约为40×15μm2，如图2(a)所示。
3)采用机械剥离的方法，在厚度约1mm的聚二甲基硅氧烷(PDMS)2上，制备少层石墨烯3，在显微镜下选择大小和形状合适的少层石墨烯。
4)将石墨烯分别叠放在h-BN的两端，两端的石墨烯与h-BN有交叠但不完全覆盖h-BN，如图1和2所示：
a)将PDMS没有石墨烯的一面贴在载玻片1上，带有石墨烯的一面朝下，将载玻片固定在微操作平台上，在显微镜下将选好的少层石墨烯与在衬底上的h-BN对准；
b)缓慢降低微操作平台的高度，让石墨烯缓慢地贴合到衬底上，待石墨烯与衬底完全贴合，缓慢地升高微操作平台的高度，将PDMS揭起，石墨烯即可留在h-BN与SiO2衬底上，如图2(b)所示；
c)重复步骤a)～b)，在h-BN的另一端叠放另外一片石墨烯，如图2(c)所示。
5)采用电子束光刻、热蒸发镀膜及剥离工艺，在两端的石墨烯上分别形成Ti/Au金属电极7，金属电极不完全覆盖石墨烯，如图2(d)所示；
6)将步骤5)得到的样品11放入低压管式炉8的低温区，该处温度80℃，有机源材料10放置在低压管式炉的高温区，有机源材料采用C8-BTBT，该处温度120℃，石英管9连接机械泵12，石英管内气压约为4Pa，升温时间为40min，自组装生长时间为20min，以暴露出来的h-BN和石墨烯为模板，在暴露出来的h-BN和石墨烯上自组装生长有机半导体薄膜C8-BTBT，完成后自然降温至室温，如图3所示。
图4(c)和(d)分别是通过该方法在285nm SiO2/p+-Si衬底上制备的晶体管的光学显微图和原子力显微图。
图5是自组装生长得到的有机半导体C8-BTBT薄膜的拉曼光谱图。证明经过本发明的方法，C8-BTBT确实自组装到了石墨烯和h-BN上。位于1465和1549cm－1的两个特征拉曼峰位表明自组装得到的有机半导体薄膜保持了良好的结构特性。
图6是本实施例制备得到的有机半导体薄膜晶体管的电学测量结果图。图6(a)是自组装的有机半导体薄膜晶体管的输出特性曲线(背栅电压：－30，－20V，－10V)。图6(b)是自组装的有机半导体薄膜晶体管的转移特性曲线。曲线表明晶体管沟道导通，有机半导体薄膜表现出p型输运特性，晶体管开关比可达到106，计算得到的背栅场效应迁移率为0.06cm2/V·s。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种定位自组装有机半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述有机半导体薄膜晶体管包括：衬底、六方氮化硼h-BN、石墨烯、金属电极和有机半导体薄膜；其中，所述衬底包括下层的导电层以及上层的绝缘层；在衬底的绝缘层上形成h-BN；在h-BN的两端分别叠放石墨烯，两端的石墨烯与h-BN有交叠但不完全覆盖h-BN，并保持h-BN的中间部分暴露；在两端的石墨烯上分别形成金属电极，所述金属电极不完全覆盖石墨烯；在低压管式炉中通过控制温度、气压和时间，在中真空环境下以暴露出来的h-BN和石墨烯为模板，在暴露出来的h-BN和石墨烯上自组装生长有机半导体薄膜，从而实现由石墨烯作为接触电极，h-BN上的有机半导体薄膜作为沟道的有机半导体薄膜晶体管。
2.如权利要求1所述的有机半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述石墨烯为单层或多层。
3.如权利要求1所述的有机半导体薄膜晶体管，其特征在于，所述h-BN为单层或多层。
4.一种定位自组装有机半导体薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供衬底，衬底包括下层的导电层以及上层的绝缘层；
2)在衬底上制备h-BN；
3)制备石墨烯；
4)将石墨烯分别叠放在h-BN的两端，两端的石墨烯与h-BN有交叠但不完全覆盖h-BN，并保持h-BN的中间部分暴露；
5)在两端的石墨烯上分别形成金属电极，金属电极不完全覆盖石墨烯；
6)将步骤5)得到的样品放入低压管式炉的低温区，有机源材料放置在低压管式炉的高温区，通过控制温度、气压和时间，以暴露出来的h-BN和石墨烯为模板，在中真空环境下在暴露出来的h-BN和石墨烯上自组装生长有机半导体薄膜，完成后自然降温至室温，从而实现由石墨烯作为接触电极，h-BN上的有机半导体薄膜作为沟道的有机半导体薄膜晶体管。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，采用机械剥离的方法在衬底上制备h-BN，形成规则形状的h-BN；或采用化学气相沉积CVD制备大面积h-BN，再通过光刻和刻蚀的方法形成规则形状的h-BN。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用机械剥离的方法制备规则形状的石墨烯；或者采用CVD制备大面积石墨烯，再通过光刻和刻蚀的方法形成规则形状的石墨烯。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，低压管式炉的低温区的温度为70～100℃，低压管式炉的高温区的温度为100～130℃，气压为1～100Pa，升温时间为10～60min，自组装生长的时间为1～30min。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，源材料采用有机半导体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170711 |
|
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