CN108417710A - 一种柔性器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性器件的制备方法。该方法首先采用刚性衬底，在刚性衬底设置牺牲层，在牺牲层上制备器件，然后利用溶剂溶解牺牲层，使器件与刚性衬底分离，最后将器件转移至柔性衬底上进行层压结合，得到柔性器件。与现有技术相比，本发明方法简单易行，可降低柔性衬底厚度，保持柔性衬底形貌，以及降低衬底对器件形变的限制，在柔性电子器件技术领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子技术领域，尤其是一种柔性器件的制备方法。
背景技术
近年来，柔性电子学得到迅速的发展，许多研究人员已经研究出各种柔性的电子设备，如柔性传感，柔性显示器，柔性致动器，人造电极皮肤以及各种可穿戴电子产品等，而用于健康监测和医疗的可穿戴电子设备已有万亿级市场。
例如，在柔性电子系统中存储器是用于信息存储和数据处理的重要组成部件，因此对存储器也提出了柔性化的发展要求。在众多的非易失性存储器当中，阻变存储器(RRAM)具有简单的三明治结构、操作速度快、功耗低、CMOS工艺兼容等优势。更为重要的是，RRAM在柔性化方面还具有器件结构简单(两端器件)，选材广泛等先天优势，使得其在下一代新兴柔性信息存储器中脱颖而出。
有机材料具有较好的机械性能，但是基于有机薄膜的器件性能受控于外部的环境，造成阻变性能不稳定、器件易失效。与有机材料相比，无机材料具有很好的阻变稳定性，且不易受环境的影响。在无机材料中，特别是无定形氧化物，具有一定的优点，包括较好的柔韧性，较大面积的均匀性，较低的制备温度，这使得采用无机材料作为柔性RRAM的功能层成为可能。
目前，器件的柔性化主要是通过沉积的方法在柔性衬底(PET、PI、PES)上直接制备器件。但是，一方面，无机介质弹性模量与柔性衬底不匹配，沉积薄膜易导致出现褶皱影响器件性能；另一方面，柔性衬底所能承受的温度有限，导致直接沉积时选用的衬底较厚，根据ε≈d/2R公式可知，柔性器件的形变极限受制于衬底厚度。
因此，发明一种方法使得器件承受应变能力不再受限于衬底，是柔性电子器件发展亟需解决的问题。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种柔性器件的制备方法，利用该方法可降低柔性衬底厚度，保持柔性衬底形貌，以及降低衬底对器件形变的限制。
为了实现上述技术目的，本发明首先采用刚性衬底，在刚性衬底设置牺牲层，在牺牲层上制备器件，然后利用溶剂溶解牺牲层，使器件与刚性衬底分离，最后将器件转移至柔性衬底上进行层压结合，得到柔性器件。
即，本发明的技术方案为：一种柔性器件的制备方法，包括如下步骤：
(1)在刚性衬底表面设置可溶解于溶剂的牺牲层，在牺牲层表面制备器件；然后，利用溶剂溶解牺牲层，使器件与刚性衬底分离；
(2)将器件转移至柔性衬底表面进行层压结合，得到柔性器件。
作为优选，所述步骤(1)中，牺牲层与器件之间设置保护层。作为进一步优选，所述保护层与器件之间设置缓冲层。
所述步骤(1)中，溶剂的作用是溶解牺牲层。溶剂包括但不限于丙酮、氯仿、二氯甲烷、苯酚、苯甲醚等中的一种或者几种。
作为优选，所述步骤(2)中，将器件转移至柔性衬底表面的过程中，采用支撑层支撑该器件。
作为一种实现方式，所述的支撑层是黏贴在器件顶部的水溶性胶带。作为优选，在所述步骤(1)中，在牺牲层表面制备器件后，在器件顶部黏贴该水溶性胶带，器件与刚性衬底分离后，以该水溶性胶带为支撑将器件转移至柔性衬底表面，使器件底部与柔性衬底表面进行层压结合。作为进一步优选，器件底部与柔性衬底表面进行层压结合之后，将器件浸入水中除去水溶性胶带。
作为优选，所述步骤(2)中，器件与柔性衬底进行层压结合之前，对柔性衬底进行表明处理。所述表面处理方法不限，包括等离子体处理、臭氧表面辐射、表面活性剂处理和接枝共聚处理等中的一种或几种。
作为优选，所述步骤(2)中，器件与柔性衬底进行层压结合之前，对器件进行表明处理。所述表面处理方法不限，包括等离子体处理、臭氧表面辐射、表面活性剂处理和接枝共聚处理等中的一种或几种。
所述刚性衬底材料不限，包括Si片、玻璃、Cu片、ITO等中的一种或几种。
所述柔性衬底材料不限，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨基甲酸酯(PU)、Ecoflex等材料中的一种或者几种。
所述牺牲层材料不限，包括各种类型的光刻胶，所述光刻胶可利用溶剂溶解。
所述保护层材料不限，包括聚酰亚胺。
所述缓冲层材料不限，包括Cr或者Ti等。
所述牺牲层的制备方法不限，包括涂敷、旋涂在刚性衬底上然后固化等方法。
所述保护层的制备方法不限，包括涂敷、旋涂在牺牲层上然后固化等方法。
所述器件不限，包括电极、阻变存储器、导线等。所述阻变存储器可以是底电极/阻变介质/顶电极组成的三明治结构。
所述电极材料不限，包括金属单质或者合金，例如Pt、Cu、Au、Ta、液态金属、ITO、AZO、FTO、掺铌钛酸锶等的一种或者几种，氧化物功能层包括但不限于HfOx、TiOx、TaOx、WOx、ZnOx、NiOx、CuOx、SiOx等中的一种或者几种。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)器件完善的制备工艺可以很容易地转移到所需的柔性衬底上，因此可以避免在非常规衬底上的苛刻的合成和不习惯的制造步骤；
(2)器件的可转移性可以最大限度地减少传统溶液相技术可能导致的溶剂损伤问题。这种独特的工艺可以促进3D堆叠存储器或多个有机电子模块的开发，解决了由于烧结引发的基底破坏和金属薄膜开裂的问题。
(3)器件可以自由地转移到各种类型的衬底，包括刚性、柔性、可拉伸、非平面，粗糙等多功能衬底上。多功能衬底选择优势可以极大地拓宽电子器件中存储器的应用，例如柔性、可穿戴或表皮电子器件。
(4)可降低柔性衬底厚度，保持柔性衬底形貌，以及降低衬底对器件形变的限制。
附图说明
图1是本发明实施例1中在刚性衬底上制备的阻变存储器的结构示意图；
图2是本发明实施例1中在刚性衬底上制备的阻变存储器的电流-电压特性图；
图3是本发明实施例1中在刚性衬底上制备的阻变存储器的HRL和LRS保持特性图；
图4是本发明实施例1中自刚性衬底剥离后的阻变存储器的光学显微镜图；
图5是本发明实施例1中剥离转移至柔性衬底的阻变存储器的光学显微镜图；
图6是本发明实施例2中自刚性衬底剥离后的阻变存储器的光学显微镜图；
图7是本发明实施例2中剥离转移至柔性衬底的阻变存储器的光学显微镜图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，刚性衬底上的阻变存储器的结构示意图如图1所示，包括牺牲层、保护层、缓冲层、底电极、氧化物功能层以及顶电极。
本实施例中，牺牲层采用PMMA；保护层采用PI；缓冲层采用Cr，厚度优选6nm；底电极采用惰性Pt，厚度优选70-80nm；氧化物功能层采用氧化铪薄膜，厚度优选20nm；顶电极采用惰性Pt薄膜，厚度优选25-35nm。
本实施例中，先采用旋涂和镀膜的方法在刚性衬底上制备阻变存储器，包括如下步骤：
(1)将Si片分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10min，循环3次，取出后用氮气吹干；
(2)在干净的Si片上以2000rpm转速旋涂PMMA，180℃固化2min；接着以2000rpm转速旋涂PI，200℃固化3.5h，得到Si/PMMA/PI；
(3)将Si/PMMA/PI放入磁控溅射真空腔体中在表面溅射沉积一层5nm厚的缓冲层Cr；接着沉积一层70-90nm厚200μm宽的底电极Pt；然后在氩氧比为3:1，气压为1Pa的气氛中，以氧化铪为靶材，用溅射的方法在Pt表面沉积一层厚度约为20nm的五氧化二钒薄膜，溅射功率为60W；最后在氧化铪上电子束蒸发沉积一层30nm厚200μm宽的顶电极Pt；在顶电极表面黏贴水溶性胶带；
(4)利用Keithley 4200半导体参数测量仪对器件进行电荷输运的测试：如图2中左图所示，在外加电场的作用下，器件能在高低组态之间来回切换并能够保持，如图2中右图所示在循环1000次后器件的阻变效应依然保持；如图3所示，该器件的高低阻变值在104s内能保持而不衰退，证明制备的器件具有稳定的阻变效应。
将器件Si/PMMA/PI/Cr/Pt/HfO2/Pt浸入丙酮溶解PMMA，阻变存储器与Si衬底分离；将器件的保护层PI表面进行表明处理，将PDMS衬底表面进行表面处理；利用水溶性胶带作为支撑将该器件转移到PDMS衬底上，使器件的保护层PI层位于PDMS衬底上进行层压结合，然后浸入水中2-5min除去水溶性胶带，得到如图5所示的剥离转移至柔性衬底上的器件。
实施例2：
本实施例中，刚性衬底上的导线结构包括牺牲层、保护层、缓冲层、电极。
本实施例中，牺牲层采用PMMA；保护层采用PI；缓冲层采用Cr，厚度优选6nm；电极采用惰性Pt，厚度优选70-80nm。
本实施例中，先采用旋涂和镀膜的方法在刚性衬底上制备电极，包括如下步骤：
(1)将Si片分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10min，循环3次，取出后用氮气吹干；
(2)在干净的Si片上以2000rpm转速旋涂PMMA，180℃固化2min，接着以2000rpm转速旋涂PI，200℃固化3.5h，得到Si/PMMA/PI；
(3)将Si/PMMA/PI放入磁控溅射真空腔体中溅射沉积一层5nm厚的缓冲层Cr；接着在电子束真空腔体中沉积一层70-80nm厚400μm宽的电极Pt，得到器件Si/PMMA/PI/Cr/Pt；
将器件Si/PMMA/PI/Cr/Pt浸入丙酮溶解PMMA，利用水溶性胶带作为预支撑得到如图6所示的剥离后的器件。
将器件Si/PMMA/PI/Cr/Pt浸入丙酮溶解PMMA，导线与Si衬底分离；将导线的保护层PI表面进行表明处理，将PDMS衬底表面进行表面处理；利用水溶性胶带作为支撑将该器件转移到PDMS衬底上，使器件的保护层PI层位于PDMS衬底上进行层压结合，然后浸入水中2-5min除去水溶性胶带，得到如图7所示的剥离转移至柔性衬底上的导线。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性器件的制备方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)在刚性衬底表面设置可溶解于溶剂的牺牲层，在牺牲层表面制备器件；然后，利用溶剂溶解牺牲层，使器件与刚性衬底分离；
(2)将器件转移至柔性衬底表面进行层压结合，得到柔性器件。
2.如权利要求1所述的柔性器件的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中，牺牲层与器件之间设置保护层；
作为进一步优选，所述保护层与器件之间设置缓冲层。
3.如权利要求1所述的柔性器件的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中，溶剂包括丙酮、氯仿、二氯甲烷、苯酚、苯甲醚等中的一种或者几种。
4.如权利要求1所述的柔性器件的制备方法，其特征是：所述步骤(2)中，将器件转移至柔性衬底表面的过程中，采用支撑层支撑该器件；
作为优选，所述的支撑层是黏贴在器件顶部的水溶性胶带。
5.如权利要求4所述的柔性器件的制备方法，其特征是：在所述步骤(1)中，在牺牲层表面制备器件后，在器件顶部黏贴该水溶性胶带，器件与刚性衬底分离后，以该水溶性胶带为支撑将器件转移至柔性衬底表面，使器件底部与柔性衬底表面进行层压结合；
作为优选，器件底部与柔性衬底表面进行层压结合之后，将器件浸入水中除去水溶性胶带。
6.如权利要求1所述的柔性器件的制备方法，其特征是：所述步骤(2)中，器件与柔性衬底进行层压结合之前，对柔性衬底进行表明处理；
所述表面处理方法包括等离子体处理、臭氧表面辐射、表面活性剂处理和接枝共聚处理中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的柔性器件的制备方法，其特征是：所述步骤(2)中，器件与柔性衬底进行层压结合之前，对器件进行表明处理；
所述表面处理方法包括等离子体处理、臭氧表面辐射、表面活性剂处理和接枝共聚处理中的一种或几种。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的柔性器件的制备方法，其特征是：所述刚性衬底材料包括Si片、玻璃、Cu片、ITO中的一种或几种；
作为优选，所述柔性衬底材料包括聚二甲基硅氧烷、聚氨基甲酸酯、Ecoflex中的一种或者几种。
9.如权利要求1至7中任一权利要求所述的柔性器件的制备方法，其特征是：所述牺牲层材料包括光刻胶；
作为优选，所述保护层材料是聚酰亚胺；
作为优选，所述缓冲层材料包括Cr或者Ti。
10.如权利要求1至7中任一权利要求所述的柔性器件的制备方法，其特征是：所述器件包括电极、阻变存储器、导线。
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