CN110350085B - 一种有机共晶场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents

一种有机共晶场效应晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有机共晶场效应晶体管及其制备方法。所述有机共晶场效应晶体管包括基底以及生长于所述基底上的有机共晶；有机共晶上设有源电极和漏电极；构成有机共晶的给体材料为晕苯；构成有机共晶的受体材料为2,3,6,7,10,11‑六氰基‑1,4,5,8,9,12‑六氮杂苯并菲。所述有机共晶场效应晶体管的制备方法包括如下步骤：以晕苯为给体材料，以2,3,6,7,10,11‑六氰基‑1,4,5,8,9,12‑六氮杂苯并菲为受体材料，在基底上生长有机共晶；在有机共晶上制备源电极和漏电极，即得到有机共晶场效应晶体管。本发明所制备的有机共晶器件经测试所有器件均表现出典型的p型有机半导体特征，且在改变电极材料时，晶体管工作状态发生改变，场效应迁移率最高达到1.0×10‑2cm2v‑1s‑1。

Description

一种有机共晶场效应晶体管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机共晶场效应晶体管及其制备方法，属于有机共晶材料领域。
背景技术
有机共晶近年来吸引了广泛的关注，因为其特殊的分子堆积方式和聚集态结构以及不同组分之间的协同与集合效应，使得有机共晶不仅仅是单一组分性质的单纯加和，而且展现出了更多宏观性质。在半导体、导体(甚至超导)、铁电、光响应、发光、热电、给受体之间电荷转移过程以及堆积结构与性能之间的关系等方面有重要的研究价值和应用前景。理论和实验结果都表明基于有机电荷转移化合物的场效应晶体管可以展现出p型、n型或者双极性电荷传输性质。虽然目前有很多已经报道过的具有良好的电荷传输性能(Lee,J.；Han,A.R.；Yu,H.；Shin,T.J.；Yang,C.；Oh,J.H.,Journal of theAmerican Chemical Society2013,135(25),9540-9547；Tsao,H.N.；Cho,D.M.；Park,I.；Hansen,M.R.；Mavrinskiy,A.；Yoon,D.Y.；Graf,R.；Pisula,W.；Spiess,H.W.；Muellen,K.,Journal of the AmericanChemical Society 2011,133(8),2605-2612；Sun,B.；Hong,W.；Yan,Z.；Aziz,H.；Li,Y.,Advanced Materials 2014,26(17),2636-2642；Yuan,Y.；Giri,G.；Ayzner,A.L.；Zoombelt,A.P.；Mannsfeld,S.C.B.；Chen,J.；Nordlund,D.；Toney,M.F.；Huang,J.；Bao,Z.,Nat.Commun.2014,5；Bisri,S.Z.；Piliego,C.；Gao,J.；Loi,M.A.,Advanced Materials2014,26(8),1176-1199.)的有机半导体材料，但是如何使用简单，快捷的方法利用现有的分子结合产生新的特殊的电子学性质仍然是一个需要探索的问题。所以高质量的共晶材料非常值得开发和研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种有机共晶场效应晶体管及其制备方法，本发明采用具有刚性的共平面的π共轭体系晕苯作为给体分子，采用强的电子受体芳香族化合物(2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲，HAT(CN)6)作为受体分子；本发明采用物理气相传输方法生长有机共晶。
本发明所提供的有机共晶场效应晶体管，包括基底以及生长于所述基底上的有机共晶；所述有机共晶上设有源电极和漏电极；
构成所述有机共晶的给体材料为晕苯；
构成所述有机共晶的受体材料为2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲，即HAT(CN)6。
所述的有机共晶场效应晶体管中，所述基底为n型重掺杂的SiO2/Si基底，其中SiO2厚度为300～500nm。
所述的有机共晶场效应晶体管中，所述有机共晶即晕苯-HAT(CN)6共晶为长条状单晶，长度为10～50μm，厚度为40～60nm。
所述的有机共晶场效应晶体管中，所述源电极和所述漏电极的厚度为50～80nm；
所述源电极和所述漏电极的材质选自Au、Ag、Pt、Cu、Co和Ni中任一种。
本发明还提供了所述有机共晶场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
以所述晕苯为给体材料，以所述2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲为受体材料，在所述基底上生长所述有机共晶；在所述有机共晶上制备所述源电极和所述漏电极，即得到所述有机共晶场效应晶体管。
上述的制备方法中，采用物理气相传输法制备所述有机共晶。
上述的制备方法中，所述物理气相传输法的条件如下：
采用内置石英管的管式炉，所述管式炉的一端通入氩气，另一端连接真空；
将所述晕苯和所述2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲分别置于石英舟后置于所述管式炉的加热区域，且所述2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲置于热电偶的相应位置处，所述晕苯置于下气路距离所述热电偶2～6cm处的位置，加热至400℃(HAT(CN)6和晕苯的升华温度分别为400℃和300℃左右)。
所述晕苯与所述HAT(CN)6的摩尔比可为1：0.5～3，优选1：1；
可以1～10℃/min的升温速率升至400℃，并保持1小时以上。
上述的制备方法中，生长所述有机共晶之前，所述方法还包括对所述基底进行下述处理的步骤：
采用浓硫酸与双氧水的混合液浸泡后，依次用去离子水、乙醇和丙酮进行超声清洗，然后用氮气吹干后在真空烘箱中修饰十八烷基三氯硅烷(OTS)，如3h，取出后依次用正己烷、乙醇、三氯甲烷超声清洗后氮气吹干。
上述的制备方法中，采用有机线掩模法(L.Jiang,J.Gao,E.Wang,H.Li,Z.Wang,W.Hu,L.Jiang,Advanced Materials 2008,20,2735-2740.)制备所述源电极和所述漏电极，具体操作为：先在显微镜下用探针将有机线盖在晶体上，之后在真空下沉积50～80nm厚的金属，可分为金属蒸镀和低温溅射两种方法，最后将盖在晶体上的有机线挪开，即得场效应晶体管器件。
本发明具有以下优点：
将给受体材料置于同一加热区域中可以使两者在气相中充分混合，从而在SiO2/Si基底上原位生长出高质量的晕苯-HAT(CN)6共晶，器件制备简单易操作。本发明所制备的有机共晶器件经测试所有器件均表现出典型的p型有机半导体特征，且在改变电极材料时，晶体管工作状态发生改变，场效应迁移率最高达到1.0×10-2cm2v-1s-1。
附图说明
图1为本发明实施例1与实施例2制备晕苯-HAT(CN)6共晶的装置示意图。
图2为本发明实施例1中沉积在SiO2/Si基底上的晕苯-HAT(CN)6共晶(图2(a))和晕苯-HAT(CN)6共晶场效应晶体管器件图(图2(b))。
图3为本发明实施例1中制备的以银作为源漏电极的晕苯-HAT(CN)6有机共晶场效应晶体管器件的转移曲线和输出曲线，其中，图3(a)为转移曲线，图3(b)为输出曲线。
图4为本发明实施例2中沉积在SiO2/Si基底上的晕苯-HAT(CN)6共晶(图4(a))和晕苯-HAT(CN)6共晶场效应晶体管器件图(图4(b))。
图5为本发明实施例2中制备的以铂作为源漏电极的晕苯-HAT(CN)6有机共晶场效应晶体管器件的转移曲线和输出曲线，其中，图5(a)为转移曲线，图5(b)为输出曲线。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、以银为源漏电极的晕苯-HAT(CN)6共晶场效应晶体管的制备
第一步：基底的清洗与修饰
基底为n型重掺杂的SiO2/Si基底，其中SiO2厚度为300nm，将上述基底用浓硫酸/双氧水(体积比7：3)浸泡半小时后，依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗，氮气吹干后在120℃的真空烘箱中用OTS修饰3小时，取出后依次用正己烷、乙醇、三氯甲烷超声清洗后用氮气吹干。
第二步：晕苯-HAT(CN)6共晶的制备
使用物理气相传输法制备晕苯-HAT(CN)6：使用装置为内置石英管的管式炉，如图1所示，一端通入氩气(10ml/min)，一端连接真空(250pa)。称取0.001mmol晕苯与0.001mmolHAT(CN)6，分别放置于两个石英舟内。两种原料的热重分析结果表明，HAT(CN)6和晕苯的升华温度分别为400℃和300℃左右，由此确定两种原料在加热区域的位置和管式炉的升温程序：将晕苯与HAT(CN)6置于一个加热区域内，HAT(CN)6放置于加热区域热电偶的位置，晕苯置于下气路距离热电偶4cm处的位置，以5℃/min的升温速率升至400℃，并保持3小时。便可以得到沉积在SiO2/Si基底上的共晶。
第三步：晕苯-HAT(CN)6共晶场效应晶体管的制备
利用有机线掩模法(L.Jiang,J.Gao,E.Wang,H.Li,Z.Wang,W.Hu,L.Jiang,Advanced Materials 2008,20,2735-2740.)制备源漏电极。
具体操作为：先在显微镜下用探针将有机线盖在晶体上，之后在真空(7×10-4Pa)下沉积70nm厚的金属银，速度和膜厚由石英晶振片监控，电极沉积速率保持
Figure BDA0002127747450000041
最后用探针将盖在晶体上的有机线挪开，即形成导电沟道与源漏电极，即得场效应晶体管器件。
图2(a)为沉积在SiO2/Si基底上的晕苯-HAT(CN)6共晶，图2(b)为晕苯-HAT(CN)6共晶场效应晶体管器件图。
器件性能测试：用keithley 4200型半导体测试仪在室温和空气条件下对制备得到的晕苯-HAT(CN)6有机共晶场效应晶体管器件进行测试。
图3为制备得到的晕苯-HAT(CN)6有机共晶场效应晶体管的转移曲线和输出曲线，图3(a)为转移曲线，图3(b)为输出曲线，基于这种结构的有机单晶场效应晶体管工作在饱和区，迁移率最高达到5.6×10-3cm2v-1s-1，开关比在102数量级以下。
实施例2、以铂为源漏电极的晕苯-HAT(CN)6共晶场效应晶体管的制备
第一步：基底的清洗与修饰
基底为n型重掺杂的SiO2/Si基底，其中SiO2厚度为300nm，将上述基底用浓硫酸/双氧水(体积比7：3)浸泡半小时后，依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗，氮气吹干后在120℃的真空烘箱中用OTS修饰3小时，取出后依次用正己烷、乙醇、三氯甲烷超声清洗后用氮气吹干。
第二步：晕苯-HAT(CN)6共晶的制备
使用物理气相传输法制备晕苯-HAT(CN)6：使用装置为内置石英管的管式炉，如图1所示，一端通入氩气(10ml/min)，一端连接真空(250pa)。称取0.001mmol晕苯与0.001mmolHAT(CN)6，分别放置于两个石英舟内。两种原料的热重分析结果表明，HAT(CN)6和晕苯的升华温度分别为400℃和300℃左右，由此确定两种原料在加热区域的位置和管式炉的升温程序：将晕苯与HAT(CN)6置于一个加热区域内，HAT(CN)6放置于加热区域热电偶的位置，晕苯置于下气路距离热电偶4cm处的位置，以5℃/min的升温速率升至400℃，并保持3小时。便可以得到沉积在SiO2/Si基底上的共晶。
第三步：晕苯-HAT(CN)6共晶场效应晶体管的制备
利用有机线掩模法(L.Jiang,J.Gao,E.Wang,H.Li,Z.Wang,W.Hu,L.Jiang,Advanced Materials 2008,20,2735-2740.)制备源漏电极。
具体操作为：先在显微镜下用探针将有机线盖在晶体上，之后在真空下低温溅射铂50nm，最后用探针将盖在晶体上的有机线挪开，即形成导电沟道与源漏电极，即得场效应晶体管器件。
图4(a)为沉积在SiO2/Si基底上的晕苯-HAT(CN)6共晶，图4(b)为晕苯-HAT(CN)6共晶场效应晶体管器件图。
器件性能测试：用keithley 4200型半导体测试仪在室温和空气条件下对制备得到的晕苯-HAT(CN)6有机共晶场效应晶体管器件进行测试。
图5为制备得到的晕苯-HAT(CN)6有机共晶场效应晶体管的转移曲线和输出曲线，图5(a)为转移曲线，图5(b)为输出曲线，基于这种结构的有机单晶场效应晶体管工作在线性区，迁移率最高达到1×10-2cm2v-1s-1。

Claims (10)

1.一种有机共晶场效应晶体管，包括基底以及生长于所述基底上的有机共晶；所述有机共晶上设有源电极和漏电极；
构成所述有机共晶的给体材料为晕苯；
构成所述有机共晶的受体材料为2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲。
2.根据权利要求1所述的有机共晶场效应晶体管，其特征在于：所述基底为n型重掺杂的SiO2/Si基底，其中SiO2厚度为300～500nm。
3.根据权利要求1或2所述的有机共晶场效应晶体管，其特征在于：所述有机共晶的长度为10～50μm，厚度为40～60nm。
4.根据权利要求3所述的有机共晶场效应晶体管，其特征在于：所述源电极和所述漏电极的厚度为50～80nm；
所述源电极和所述漏电极的材质选自Au、Ag、Pt、Cu、Co和Ni中任一种。
5.权利要求1-4中任一项所述有机共晶场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
以所述晕苯为给体材料，以所述2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲为受体材料，在所述基底上生长所述有机共晶；在所述有机共晶上制备所述源电极和所述漏电极，即得到所述有机共晶场效应晶体管。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：采用物理气相传输法制备所述有机共晶。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述物理气相传输法的条件如下：
采用内置石英管的管式炉，所述管式炉的一端通入氩气，另一端连接真空；
将所述晕苯和所述2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲分别置于石英舟后置于所述管式炉的加热区域，且所述2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲置于热电偶的相应位置处，所述晕苯置于下气路距离所述热电偶2～6cm处的位置，加热至400℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：以1～10℃/min的升温速率升至400℃，并保持1小时以上。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的制备方法，其特征在于：生长所述有机共晶之前，所述方法还包括对所述基底进行下述处理的步骤：
采用浓硫酸与双氧水的混合液浸泡后，依次用去离子水、乙醇和丙酮进行超声清洗，然后用氮气吹干后在真空烘箱中修饰十八烷基三氯硅烷；取出后依次用正己烷、乙醇、三氯甲烷超声清洗后用氮气吹干。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：采用有机线掩模法制备所述源电极和所述漏电极。
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