CN111564558B - 有机晶态薄膜的制备方法及有机场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有机晶态薄膜的制备方法及有机场效应晶体管，该制备方法包括以下步骤：提供一氧化硅片作为基底，在基底上设置绝缘层；通过光刻技术在绝缘层表面形成正胶沟道阵列；正胶沟道阵列的端部为周期性变化的漏斗状，以用于对晶体取向进行过滤，使具有相同取向的晶体沿漏斗状两侧外延生长并进入正胶沟道阵列；对正胶沟道阵列进行亲疏水处理，以在基底上得到具有不同亲疏水性的亲疏水模板；利用刮涂法在亲疏水模板上铺展有机单晶小分子溶液，以得到晶体取向一致的有机晶态薄膜。本发明的有机晶态薄膜的制备方法，可以实现大面积范围内的高取向性的有机单晶的定向定位生长。同时该制备方法操作简单，易于控制，有利于大面积推广使用。

Description

有机晶态薄膜的制备方法及有机场效应晶体管

技术领域

本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别是涉及一种有机晶态薄膜的制备方法及有机场效应晶体管。

背景技术

高取向性的有机单晶具有分子堆砌高度有序，缺陷少等优点，可以实现载流子快速传输。而且提高晶体的取向性，可以显著提高有机场效应晶体管的器件性能，提高器件的稳定性与重复性。

目前，已经发展出多种有机单晶的生长技术，比如界面自组装法、物理气相沉积法(PVD)、微结构诱导结晶法、模板限域旋涂法、喷墨打印法、溶液提拉法、溶液刮涂法等。其中，物理气相沉积法是公认的可以得到高结晶度高质量的有机单晶的制备方法，但是晶体生长位置和取向性具有较强随机性。喷墨打印法可以实现有机单晶定点定位生长，但是分辨率低，难以实现每个单晶的取向一致。

总之，现有的上述制备方法在制备高取向性的有机单晶方面都存在一定的缺陷，很难保持阵列中的有机晶体的取向一致性或者很难实现大面积有机晶体取向的一致性。

发明内容

本发明第一方面的一个目的是要制备出大面积且取向一致的有机晶态薄膜。

本发明第一方面的一个进一步的目的是要在刮涂过程中，通过控制刮刀与基底的高度、刮刀的倾斜角度和运动速度，使刮刀在溶液-基底-空气的三相接触线连续匀速运动，保证晶体沿着三相接触线长程有序地生长。

本发明第二方面的一个目的是要提供一种有机场效应晶体管，保证该有机场效应晶体管中的有机晶态薄膜具有高取向性，能够显著提高有机场效应晶体管的器件性能。

特别地，本发明提供了一种有机晶态薄膜的制备方法，包括以下步骤：

提供一氧化硅片作为基底，在所述基底上设置绝缘层；

通过光刻技术在所述绝缘层表面形成正胶沟道阵列；所述正胶沟道阵列的端部为周期性变化的沙漏形结构，以用于对晶体取向进行过滤，使具有相同取向的晶体沿沙漏形结构的两侧外延生长并进入所述正胶沟道阵列；

对所述正胶沟道阵列进行亲疏水处理，以在所述基底上得到具有不同亲疏水性的亲疏水模板；

利用刮涂法在所述亲疏水模板上铺展有机单晶小分子溶液，以得到晶体取向一致的有机晶态薄膜。

进一步地，所述绝缘层为BCB绝缘层或PVP绝缘层。

进一步地，所述有机单晶小分子为C₈-BTBT、C₁₀-BTBT，DIF-TES-ADT，Tips-PEN和Tips-tap中的一种。

进一步地，提供一氧化硅片作为基底，在所述基底上设置绝缘层的步骤包括：

对所述基底超声清洗并吹干；

将吹干后的所述基底进行臭氧处理；

在臭氧处理后的所述基底上旋涂所述绝缘层。

进一步地，通过光刻技术在所述绝缘层表面形成正胶沟道阵列的步骤包括：

在所述绝缘层上旋涂光刻胶，并对旋涂有所述光刻胶的所述基底进行光刻；

将光刻后的所述基底置于显影液中进行显影，以在所述绝缘层表面得到所述正胶沟道阵列。

进一步地，对所述正胶沟道阵列进行亲疏水处理，以在所述基底上得到具有不同亲疏水性的亲疏水模板的步骤包括：

将形成有所述正胶沟道阵列的所述基底置于培养皿中，并向所述培养皿中滴加1μL-3μL的亲疏水修饰剂；

将所述培养皿密闭后置于真空烘箱中，并在85℃-95℃条件下修饰8min-12min；

修饰结束后，洗去所述基底上的所述光刻胶，暴露出所述绝缘层，以制备出具有不同亲疏水性的亲疏水模板。

进一步地，所述亲疏水修饰剂为FTS或者FDDTS。

进一步地，利用刮涂法在所述亲疏水模板上铺展有机单晶小分子溶液，以得到晶体取向一致的有机晶态薄膜的步骤包括：

将制备的具有所述亲疏水模板的所述基底置于恒温加热台上，保持所述基底与刮刀之间的高度为90μm-110μm，所述刮刀的倾斜角度为10°-20°；

在所述刮刀与所述基底之间的间隙中滴加4μL-5μL浓度为2mg/mL-4mg/mL的所述有机单晶小分子溶液，并控制刮刀以250μm/s-350μm/s的速度沿所述亲疏水模板匀速运动，以得到晶体取向一致的所述有机晶态薄膜。

本发明还提供一种有机场效应晶体管，包括：

由上述实施例中所述的制备方法制备的有机晶态薄膜；

电极，设在所述有机晶态薄膜上，以构造成所述有机场效应晶体管。

进一步地，所述电极包括：源极和漏极，所述源极和所述漏极分别为金属银电极或者金电极，所述电极通过热蒸发法蒸镀在所述有机晶态薄膜上。

本发明的有机晶态薄膜的制备方法，通过在绝缘层表面刻蚀出端部具有周期性变化的沙漏形结构的正胶沟道阵列，对刮涂过程中的晶体取向进行过滤，使取向一致的晶体沿沙漏形结构的两侧外延生长进入阵列中，实现大面积范围内的高取向性的有机单晶的定向定位生长。同时该制备方法操作简单，易于控制，有利于大面积推广使用。

进一步地，本发明的有机晶态薄膜的制备方法，在刮涂过程中，通过有效控制刮刀与基底的高度、刮刀的倾斜角度和运动速度，使刮刀在溶液-基底-空气的三相接触线连续匀速运动，保证晶体沿着三相接触线长程有序地生长，制备出大面积、取向一致的有机晶态薄膜。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是本发明的有机晶态薄膜的制备方法的流程图；

图2是本发明的亲疏水模板的制备流程示意图；

图3是本发明的有机晶体薄膜位于正胶沟道阵列中沙漏形结构处的不同位置的偏光显微镜图片；

图4是本发明制备的有机晶态薄膜的偏光显微镜图片；

图5是本发明制备的有机晶态薄膜在不同角度下的偏光显微镜图片；

图6是本发明制备的有机晶态薄膜在不同角度下的偏光显微镜图片亮度归一化统计图；

图7是本发明制备的有机晶态薄膜在沙漏形结构的位置处的弯液面图片及对应的蒸发通量模拟图；

图8是本发明制备的有机晶态薄膜的晶体生长过程示意图；

图9是本发明制备的有机晶态薄膜的吸收图谱；

图10是本发明采用无沙漏形结构的亲疏水模板制备的有机晶态薄膜的吸收图谱；

图11是本发明制备的有机晶态薄膜的TEM形貌图与对应的SAED图；

图12是本发明制备的有机晶态薄膜的AFM形貌图与对应的HR-AFM图；

图13是本发明的有机场效应晶体管的结构示意图；

图14是本发明的有机场效应晶体管的实物形貌图；

图15是本发明的有机场效应晶体管的器件电性能转移特性曲线图；

图16是本发明的有机场效应晶体管的器件电性能输出特性曲线图；

图17是本发明统计的38个有机场效应晶体管的迁移率统计图。

附图标记：

基底10；

亲疏水模板20；沙漏形结构21；

有机单晶小分子溶液30；

刮刀40。

具体实施方式

本发明的有机晶态薄膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一氧化硅片作为基底，在基底上设置绝缘层；

S2、通过光刻技术在绝缘层表面形成正胶沟道阵列；正胶沟道阵列的端部为周期性变化的沙漏形结构，以用于对晶体取向进行过滤，使具有相同取向的晶体沿沙漏形结构的两侧外延生长并进入正胶沟道阵列；

S3、对正胶沟道阵列进行亲疏水处理，以在基底上得到具有不同亲疏水性的亲疏水模板；

S4、利用刮涂法在亲疏水模板上铺展有机单晶小分子溶液，以得到晶体取向一致的有机晶态薄膜。

具体来说，参见图1和图2，在本发明的有机晶态薄膜的制备方法中，首先，可以提供一氧化硅片作为基底10(该基底10为在硅片表面形成一层氧化硅)，并在基底10上设置绝缘层。需要说明的是，有机场效应晶体管的工作原理是利用电场控制电流的放大与减小，而在我们所用的器件结构中电子是在材料的最底层也就是绝缘层之上进行传输的，如果没有绝缘层的话，由于基底10中的氧化硅较薄，在加电压时可能会导致半导体材料被击穿。

然后，通过光刻技术在绝缘层表面刻蚀出正胶沟道阵列，该正胶沟道阵列的端部为周期性变化的沙漏形结构21，而具有周期性变化的沙漏形结构21的正胶沟道阵列可以用于对晶体取向进行过滤，使具有相同取向的晶体沿沙漏形结构21两侧外延生长并进入正胶沟道阵列中。

接着，可以对基底10上的正胶沟道阵列进行亲疏水处理，通过亲疏水处理后的正胶沟道阵列就可以形成为具有不同亲疏水性的亲疏水模板20。亲疏水模板20可以使溶液在基底10上选择性铺展，其中，接触角大的疏水区域的弯液面厚(如图2中a所示)，容积挥发慢，有效防止晶体在此区域结晶。接触角小的亲水区域可以形成拉成的薄的弯液面(如图2中b所示)，从而实现晶体选择性生长。

最后，利用刮涂法在亲疏水模板20上铺展有机单晶小分子溶液30，有机单晶小分子溶液30在刮涂的过程中，亲疏水模板20前端的沙漏形结构21可以对晶体进行过滤，使取向一致的晶体沿沙漏形结构21两侧外延生长进入阵列中，以得到晶体取向一致的有机晶态薄膜。

由此，本发明的有机晶态薄膜的制备方法，通过在绝缘层表面刻蚀出端部具有周期性变化的沙漏形结构21的正胶沟道阵列，对刮涂过程中的晶体取向进行过滤，使取向一致的晶体沿沙漏形结构21两侧外延生长进入阵列中，实现大面积范围内的高取向性的有机单晶的定向定位生长。同时该制备方法操作简单，易于控制，有利于大面积推广使用。

根据本发明的一个实施例，绝缘层可以采用BCB绝缘层或PVP(聚乙烯吡咯烷酮材料)绝缘层。绝缘层也可以直接以氧化硅作为绝缘层。在本申请中绝缘层优选BCB绝缘层，BCB(苯并环丁烯)材料具有较好的绝缘性能和液晶浸润性，便于液晶小分子在热处理时在绝缘层上均匀铺展。有机单晶小分子可以采用C₈-BTBT(2,7-二辛基[1]苯并噻吩[3,2-b][1]苯并噻吩)、C₁₀-BTBT(2,7-二葵基[1]苯并噻吩[3,2-b][1]苯并噻吩)，DIF-TES-ADT[双(三乙基甲硅烷基乙炔基)蒽噻吩]，Tips-PEN[6,13-双(三异丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯]和Tips-tap[双((三异丙基甲硅烷基)乙炔基)-5,7,12,14-四氮杂并五苯]中的一种。在本申请中，有机单晶小分子优选C₈-BTBT，有机单晶小分子溶液30中溶剂可以采用甲苯。C₈-BTBT是一种具有优异液晶特性的半导体小分子。

根据本发明的一个实施例，提供一氧化硅片作为基底10，在基底10上设置绝缘层的步骤包括：

对基底10超声清洗并吹干；

将吹干后的基底10进行臭氧处理；

在臭氧处理后的基底10上旋涂绝缘层。

具体来说，在基底10上设置绝缘层的过程中，首先，对基底10进行超声清洗，超声清洗的过程可以分别使用乙醇、丙酮、异丙醇对氧化硅片各超声清洗一定时间(例如各清洗10min-15min)。清洗完成后，可以用氮气吹干或自然晾干，然后可以将吹干后的基底10置于臭氧环境处理一定时间(例如10min-30min)。最后，将臭氧处理后的基底10放置在旋涂机上，以一定的转速均匀地上旋涂绝缘层，实现绝缘层在基底10上的复合。当然，在基底10上旋涂绝缘层的过程中，各个参数(例如清洗时间、臭氧处理温度，旋涂转速等)可以根据实际需要进行具体设置。

在本发明的一些具体实施方式中，通过光刻技术在绝缘层表面形成正胶沟道阵列的步骤包括：

在绝缘层上旋涂光刻胶，并对旋涂有光刻胶的基底10进行光刻；

将光刻后的基底10置于显影液中进行显影，以在绝缘层表面得到正胶沟道阵列。

具体来说，通过光刻技术在绝缘层表面形成正胶沟道阵列的过程中，首选，在绝缘层上旋涂光刻胶，旋涂光刻胶后对旋涂有光刻胶的基底10进行光刻，光刻机上的掩膜板可以在光刻过程中在绝缘层上形成正胶沟道阵列，该正胶沟道阵列的端部为周期性变化的沙漏形结构21，而具有周期性变化的沙漏形结构21的正胶沟道阵列可以用于后续对晶体取向进行过滤，使具有相同取向的晶体沿沙漏形结构21两侧外延生长并进入正胶沟道阵列中。最后，将光刻后的基底10置于显影液中进行显影，就可以在绝缘层表面得到正胶沟道阵列。

根据本发明的一个实施例，对正胶沟道阵列进行亲疏水处理，以在基底10上得到具有不同亲疏水性的亲疏水模板20的步骤包括：

将形成有正胶沟道阵列的基底10置于培养皿中，并向培养皿中滴加1μL-3μL的亲疏水修饰剂；

将培养皿密闭后置于真空烘箱中，并在85℃-95℃条件下修饰8min-12min；

修饰结束后，洗去基底10上的光刻胶，暴露出绝缘层，以制备出具有不同亲疏水性的亲疏水模板20。

具体来说，参见图2，对正胶沟道阵列进行亲疏水处理，以在基底10上得到具有不同亲疏水性的亲疏水模板20的过程中，首先，可以将形成有正胶沟道阵列的基底10置于培养皿中，并向培养皿中滴加1μL-3μL的亲疏水修饰剂，亲疏水修饰剂可以采用FTS(全氟辛基三氯硅烷)或FDDTS(全氟十二烷基三氯硅烷)，本发明的亲疏水修饰剂优选FTS。亲疏水修饰剂滴加量可以优选2μL。然后，将培养皿密闭后置于真空烘箱中，并在85℃-95℃条件下修饰8min-12min，真空烘箱的温度优选90℃，修饰时间优选10min。通过将培养皿置于真空烘箱中进行修饰处理，可以使FTS小分子均匀且充分地与基底10表面集团互相作用。修饰结束后，可以使用丙酮洗去基底10上的光刻胶，暴露出BCB绝缘层，从而制备出具有不同亲疏水性的亲疏水模板20。当把亲疏水处理后的形成为亲疏水模板20的基底10应用于后续刮涂实验时，由于BCB绝缘层与有机单晶小分子溶液30中的甲苯溶剂甲的接触角非常小(<2°)(如图2中b所示)，而修饰了FTS的区域与溶剂的接触角较大，如图2中a所示，其接触角大约可以达到为29.5°，接触角大的疏水区域弯液面厚，溶剂挥发慢，可以有效防止晶体在此区域结晶，从而实现晶体选择性生长。

根据本发明的一个实施例，利用刮涂法在亲疏水模板20上铺展有机单晶小分子溶液30，以得到晶体取向一致的有机晶态薄膜的步骤包括：

将制备的具有亲疏水模板20的基底10置于恒温加热台上，保持基底10与刮刀40之间的高度为90μm-110μm，刮刀40的倾斜角度为10°-20°；

在刮刀40与基底10之间的间隙中滴加4μL-5μL浓度为2mg/mL-4mg/mL的有机单晶小分子溶液30，并控制刮刀40以250μm/s-350μm/s的速度沿亲疏水模板20匀速运动，以得到晶体取向一致的有机晶态薄膜。

具体来说，参见图2，利用刮涂法在亲疏水模板20上铺展有机单晶小分子溶液30，以得到晶体取向一致的有机晶态薄膜的过程中，首先，可以将制备的具有亲疏水模板20的基底10置于50℃的恒温加热台上，保持基底10与刮刀40之间的高度为90μm-110μm(优选100μm)，刮刀40的倾斜角度为10°-20°(优选15°)。然后，可以使用微量注射器在刮刀40与基底10之间的间隙中滴加4μL-5μL浓度为2mg/mL-4mg/mL(优选3mg/mL)的有机单晶小分子溶液30。在本申请中，以C₈-BTBT为有机单晶小分子，以甲苯为溶剂进行举例说明。然后利用进步器控制刮刀40以250μm/s-350μm/s(优选300μm/s)的速度沿亲疏水模板20匀速运动。刮刀40在匀速运动时，通过有效控制刮刀40与基底10的高度、刮刀40的倾斜角度和运动速度，使刮刀40在溶液-基底10-空气的三相接触线连续匀速运动。有机单晶小分子在亲疏水模板20上进行铺展，在铺展的过程中，有机单晶小分子溶液30会在亲水的BCB区域形成拉长的薄的弯液面，而疏水区域由于接触角更大，弯液面较厚，不利于晶体生长。因此，随着刮涂过程的进行，晶体仅在亲水的BCB位置生长，保证晶体沿着三相接触线长程有序地生长，从而制备出大面积、取向一致的C₈-BTBT晶态薄膜。

在本申请中，申请人采用C₈-BTBT(2,7-二辛基[1]苯并噻吩[3,2-b][1]苯并噻吩)作为有机单晶小分子制备有机晶态薄膜，并对制备的有机晶态薄膜进行了一些列表征。通过使用偏光显微镜对放大后的有机晶态薄膜进行观察，如图3所示。在亲疏水模板20的沙漏形结构21的上半部分，由于亲水区域的宽度逐渐缩小，晶体中的某些取向无法继续生长，而在沙漏形结构21的中间位置(如图3中a所示)，晶体生长连续，因此，可以保证有且只有一种取向的晶体通过。在沙漏形结构21的下部分中(如图3中b和c所示)，晶体生长均由沙漏形结构21边缘位置开始，可以看作以边缘部分开始的外延生长。因而沙漏形结构21下半部分中的晶体具有相同的取向性。在沙漏形结构21与阵列相连接的区域(图3中d所示)，阵列中的晶体始终与沙漏形结构21区域的晶体连续，具有相同的取向性，因此，可以实现阵列中的C₈-BTBT晶体取向一致。

如图4所示，在偏光显微镜下观察晶体形貌，可以看到晶体在沿着刮涂方向具有长程有序性。其中，图4中a是单个漏斗与阵列图案中的晶体在偏光显微镜下的图片，图4中b是阵列中取向一致的C₈-BTBT晶体薄膜的偏光显微镜图片，图4中c是阵列中C₈-BTBT晶体在不同角度的偏光显微镜下的图片。从图4中可以看出，在沙漏形结构21的上半部分，晶体在偏光显微镜下呈现不同的颜色，说明该区域的晶体取向不一致。而在沙漏形结构21的下半部分晶体呈现出相同的偏光颜色，且与其相连的阵列中晶体偏光颜色保持一致，这充分说明通正胶沟道阵列(在亲疏水处理后也可以描述为亲疏水模板20)前端的周期性变化的沙漏形结构21可以对晶体的取向进行了“过滤”，实现了横向1000μm晶体取向的一致性。同时对更大范围内的晶体进行观察，在几千微米的范围内晶体呈现相同的偏光颜色，说明该范围内晶体具有相同的取向。对单个阵列中的晶体进行放大观察，阵列中的晶体没有明显的杂质与缺陷，在不同偏光角度下晶体的亮度发生明显变化，这说明阵列中的晶体具有较高的结晶质量与取向性。

将制备的取向一致的C₈-BTBT晶态薄膜置于偏光显微镜下，将样品360°旋转并拍摄形貌(参见图5)。在此过程中，视野范围内的晶体呈现出相同的亮度变化。而且当C₈-BTBT晶态薄膜与偏光之间的角度为45°时，整个薄膜的晶体呈现出明亮且均匀的偏光颜色，而C₈-BTBT晶态薄膜与偏光之间的角度为0°或90°时的偏光最暗。同时参见图6，将不同角度下的亮度进行归一化并绘制统计图，结果说明晶体亮度呈现规律性变化，在不同角度下具有四重对称性，这进一步证明本发明制备的有机晶态薄膜具有高度取向性，且在大面积内具有相同的取向。

申请人还进一步探究本发明制备取向一致的C₈-BTBT晶体的生长机理，利用显微镜对沙漏形结构21不同位置处的弯液面形貌进行实时观察，并拍摄照片，如图7所示。选取的4个位置的亲水区域的宽度分别为10μm，250μm，500μm，750μm，结果说明在沙漏形结构21的不同位置处，亲水区域的弯液面都比疏水区域的弯液面更长，这说明亲水区域中的溶液-基底10-空气三相接触线距离溶液中心更远，液面更薄，因此，溶剂挥发速度更快。这是因为亲水区域与溶液的接触角很小(<2°)，使溶液更容易在此处钉扎，从而使晶体在此区域结晶析出。而且在漏斗不同位置处的三相接触线的轮廓几乎都与刮刀40平行，这也说明在刮涂过程中，刮涂速度与溶剂挥发速度接近，保障了三相接触线的稳定，也更有利于晶体均匀生长。随后以拍摄得到的三相接触线轮廓为基准，在COMSOL模拟软件中建立对应的模型，并对三相接触线上的溶剂蒸发通量进行模拟。

当亲水区域的宽度为10μm时，溶剂的蒸发通量集中在沙漏形结构21的中间位置，从放大的模拟结果来看，蒸发通量有两个最大位点，但是横向10μm范围内的溶剂蒸发通量差别不大，这说明在此位置处，溶剂的蒸发速度接近，由于只有一种晶体取向通过了漏斗，因此，这个区域的晶体以该取向继续生长。而当亲水区域的宽度增大到250μm时，溶剂的蒸发通量集中在亲水区域中三相接触线的两侧，而三相接触线中间位置的溶剂蒸发通量非常小，这说明在此位置处，三相接触线两侧的溶剂蒸发更快，优先发生结晶。而对于亲水区域宽度为500μm和750μm时的溶剂蒸发通量模拟也得到了相同的结果。这个现象说明在亲水区域逐渐增大的过程中，蒸发通量集中在三相接触线的两侧，晶体始终在三相接触线的两侧，漏斗的边缘位置优先结晶析出。

根据上述模拟结果推断，在刮涂过程中，晶体的生长过程如图8所示。首先，在沙漏形结构21中间位置10μm时，由于蒸发通量集中，只有一种晶体取向通过，相当于有且只有一个成核位点，在刮涂时，三相接触线的长度逐渐增大，位于三相接触线两侧的两个蒸发通量集中点逐渐分开，因此，晶体会在漏斗边缘以该取向优先生长。当三相接触线继续移动时，亲水区域中间的溶剂也开始挥发，溶液中的C₈-BTBT小分子以漏斗两侧的晶体为成核点继续生长，因而亲水区域中间的晶体与漏斗边缘的晶体具有相同的取向。该生长过程不断重复，最终在整个亲水区域得到取向一致的晶体。由于刮涂过程中刮刀40的持续诱导，晶体在刮涂方向具有长程有序性，亲水区域的晶体能够以相同的取向进入阵列，从而得到大面积的取向一致的C₈-BTBT晶态薄膜。

在本申请中，申请人使用近边缘x射线吸收精细结构(NEXAFS)光谱对该薄膜其进行表征(如图9所示)，并与未用沙漏形结构21“过滤”的C₈-BTBT阵列化晶态薄膜进行比较(如图10所示)。在不同角度的x射线下，两种薄膜的C吸收峰强度都所有变化，而且90°时的峰强最大，20°时的峰强最小。但是本发明具有沙漏形结构21“过滤”晶体取向后的C₈-BTBT晶态薄膜在不同角度的x射线下峰强变化更明显，参见图9，最大峰强值与最小峰强值的比值Imax/Imin达到2.37。而作为对比试验的未用沙漏形结构21“过滤”的C8-BTBT阵列化晶态薄膜的Imax/Imin仅为1.66(参见图10)。该结果充分证明本发明的制备方法可以显著地提高有机晶态薄膜的取向性。

同时，参见图11和图12，为了进一步表征C₈-BTBT晶态薄膜的结晶质量，使用透射电子显微镜(TEM)与原子力显微镜(AFM)对该薄膜进行表征。参见图11，在TEM表征中，首先对阵列中的C₈-BTBT晶体薄膜进行形貌表征，发现该晶体表面均匀，边缘也非常光滑，宽度约为2μm，与实验中使用的亲疏水模板20的宽度一致。随后在晶体上使用选区电子衍射(SAED)得到非常清晰且规则排布的衍射点，得出该晶体的(020)晶面与阵列的方向一致，这说明晶体沿着(020)晶面生长。参见图12，使用AFM对该薄膜进行表征,，发现C₈-BTBT晶体为规则的2μm排布，对不同位置的晶体进行高分辨原子力显微镜(HR-AFM)表征，发现C₈-BTBT有机小分子呈现有序的鱼骨状堆积方式。将该数据在软件中进行傅里叶变换，可以得到了非常清晰的衍射点，对40个不同位置的衍射点进行统计计算，得到晶格中分子的a＝0.66±0.02nm，b＝0.79±0.02nm，a轴与b轴的夹角γ为90.08°±0.93°，这与文献报道的C₈-BTBT的晶格常数相匹配。这也再次说明了C₈-BTBT分子堆积高度有序，具有长程有序、规则排布的单晶结构。

总而言之，本发明的有机晶态薄膜的制备方法，通过在绝缘层表面刻蚀出端部具有周期性变化的沙漏形结构21的正胶沟道阵列，对刮涂过程中的晶体取向进行过滤，使取向一致的晶体沿沙漏形结构21两侧外延生长进入阵列中，实现大面积范围内的高取向性的有机单晶的定向定位生长。同时该制备方法操作简单，易于控制，有利于大面积推广使用。

本发明还提供一种有机场效应晶体管，本申请的有机场效应晶体管主要由采用上述实施例中的制备方法制备的有机晶态薄膜和电极组成。其中。电极可以设置在有机晶态薄膜上，以构造成有机场效应晶体管。电极主要包括源极和漏极，源极和漏极分别采用金属银电极，电极可以通过热蒸发法蒸镀在有机晶态薄膜上。在本申请的一些优选实施方式中，有机场效应晶体管(OFETs)采用底删顶接触结构，以金属Ag为源极和漏极，使用热蒸发法蒸镀在C₈-BTBT晶态薄膜的上层，电极的厚度可以为50nm，以基底10中的硅(Si)为栅电极，BCB与基底10的氧化硅(SiO₂)可以共同作为绝缘层。OFETs的正胶沟道阵列的导电沟道的长度可以为25μm，宽度可以为150μm。本发明的有机场效应晶体管，可以有效保证该有机场效应晶体管中的有机晶态薄膜具有高取向性，显著提高有机场效应晶体管的器件性能。

申请人同样对本发明的有机场效应晶体管进行了相应的器件性能表征。将得到的C₈-BTBT有机晶态薄膜作为半导体层制备有机场效应晶体管(OFETs)，并进行OFETs的电学性能测试。所有的OFETs器件均为底栅顶接触结构，以金属Ag为源极和漏极，使用热蒸发法蒸镀在C₈-BTBT晶态薄膜的上层(参见图13)，厚度为50nm，以Si为栅电极，BCB与SiO₂共同作为绝缘层。OFETs的导电沟道长度为25μm，宽度为150μm(如图14所示)。在探针台上使用半导体分析仪进行电学性能测试得到的转移特性曲线和输出特性曲线如图15和图16所示，在源漏电压(Vds)较低时，OFETs器件在线性区工作，此时得到的电流Id s的值不为零，说明此器件中有漏电流的存在，器件的绝缘层还需要进一步优化。在栅电压(Vg)为-40V时，OFET在饱和区域工作，得到OFETs的最高载流子迁移率为4.96cm² V^-1s^-1，电流开关比Ion/Ioff约为105，计算得出的亚阈值斜率(S)约为5.43V，阈值电压(Vth)为-3V。为了更充分地表征器件的性能，对同一基底10上的38个OFETs进行电学性能测试，并进行统计如图17所示，器件性能总体呈现正态分布，平均载流子迁移率为2.94cm² V^-1s^-1，38个器件性能的标准差为0.74cm² V^-1s^-1，说明同一基底10上的器件性能具有较好的均匀性。以上结果充分证明基于取向一致的C₈-BTBT晶态薄膜制备的OFETs具有优良的器件性能。

也就是说，本发明的有机场效应晶体管，可以有效保证该有机场效应晶体管中的有机晶态薄膜具有高取向性，显著提高有机场效应晶体管的器件性能。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种有机晶态薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一氧化硅片作为基底，在所述基底上设置绝缘层；

通过光刻技术在所述绝缘层表面形成正胶沟道阵列；所述正胶沟道阵列的端部为周期性变化的沙漏形结构，以用于对晶体取向进行过滤，使具有相同取向的晶体沿沙漏形结构的两侧外延生长并进入所述正胶沟道阵列；

对所述正胶沟道阵列进行亲疏水处理，亲疏水处理后对所述正胶沟道阵列进行清洗以暴露绝缘层，以在所述基底上得到具有不同亲疏水性的亲疏水模板；

利用刮涂法在所述亲疏水模板上铺展有机单晶小分子溶液，以得到晶体取向一致的有机晶态薄膜。

2.根据权利要求1所述的有机晶态薄膜的制备方法，其特征在于，所述绝缘层为BCB绝缘层或PVP绝缘层。

3.根据权利要求1所述的有机晶态薄膜的制备方法，其特征在于，所述有机单晶小分子为C₈-BTBT、C₁₀-BTBT，DIF-TES-ADT，Tips-PEN和Tips-tap中的一种。

4.根据权利要求1所述的有机晶态薄膜的制备方法，其特征在于，提供一氧化硅片作为基底，在所述基底上设置绝缘层的步骤包括：

对所述基底超声清洗并吹干；

将吹干后的所述基底进行臭氧处理；

在臭氧处理后的所述基底上旋涂所述绝缘层。

5.根据权利要求1所述的有机晶态薄膜的制备方法，其特征在于，通过光刻技术在所述绝缘层表面形成正胶沟道阵列的步骤包括：

在所述绝缘层上旋涂光刻胶，并对旋涂有所述光刻胶的所述基底进行光刻；

将光刻后的所述基底置于显影液中进行显影，以在所述绝缘层表面得到所述正胶沟道阵列。

6.根据权利要求5所述的有机晶态薄膜的制备方法，其特征在于，对所述正胶沟道阵列进行亲疏水处理，以在所述基底上得到具有不同亲疏水性的亲疏水模板的步骤包括：

将形成有所述正胶沟道阵列的所述基底置于培养皿中，并向所述培养皿中滴加1μL-3μL的亲疏水修饰剂；

将所述培养皿密闭后置于真空烘箱中，并在85℃-95℃条件下修饰8min-12min；

修饰结束后，对所述基底上的所述正胶沟道阵列进行清洗，暴露出所述绝缘层，以制备出具有不同亲疏水性的亲疏水模板。

7.根据权利要求6所述的有机晶态薄膜的制备方法，其特征在于，所述亲疏水修饰剂为FTS或者FDDTS。

8.根据权利要求5所述的有机晶态薄膜的制备方法，其特征在于，利用刮涂法在所述亲疏水模板上铺展有机单晶小分子溶液，以得到晶体取向一致的有机晶态薄膜的步骤包括：

将制备的具有所述亲疏水模板的所述基底置于恒温加热台上，保持所述基底与刮刀之间的高度为90μm-110μm，所述刮刀的倾斜角度为10°-20°；

在所述刮刀与所述基底之间的间隙中滴加4µL-5µL浓度为2mg/mL-4mg/mL的所述有机单晶小分子溶液，并控制刮刀以250µm/s-350µm/s的速度沿所述亲疏水模板匀速运动，以得到晶体取向一致的所述有机晶态薄膜。

9.一种有机场效应晶体管，其特征在于，包括：

由权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备的有机晶态薄膜；

电极，设在所述有机晶态薄膜上，以构造成所述有机场效应晶体管。

10.根据权利要求9所述的有机场效应晶体管，其特征在于，所述电极包括：源极和漏极，所述源极和所述漏极分别为金属银电极或者金电极，所述电极通过热蒸发法蒸镀在所述有机晶态薄膜上。

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