CN111697134A - 富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法及有机场效应晶体管 - Google Patents

富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法及有机场效应晶体管 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法及有机场效应晶体管，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；在绝缘层上沉积光刻胶，并通过光刻技术在光刻胶上进行光刻，以在基底上构筑三维立体通道；配置C60溶液，将构筑有三维立体通道的基底浸没在C60溶液中，并通过提拉法将基底从C60溶液中匀速提拉出来，以在三维立体通道上自组装得到连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列。本发明的制备方法，可以使C60分子在三维立体通道上自组装得到大面积、连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列。该制备方法操作简单，有利于富勒烯单晶纳米线阵列的大面积生长，适合大面积推广应用。

Description

富勒烯单晶纳米线阵列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，特别是涉及一种富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法和具有该富勒烯单晶纳米线阵列的有机场效应晶体管。
背景技术
有机场效应晶体管在柔性和轻巧的电子应用(如互补电路、显示器和传感器)中有巨大的应用前景。有机场效应晶体管以p型或者n型半导体作为器件中最重要的活性层。有机纳米线有众多的优点，如低成本、柔性、可用溶液法制备，极高的纵横比和比表面积。有机纳米线还有助于提高器件性能由于增强的π-π共轭形貌和电荷通道的建立。由共轭小分子自组装成的单晶纳米线有大量的应用，它可以作为光伏器件，纳米级激光器，有机发光二极管以及有机场效应晶体管等的半导体活性层。
富勒烯(C60)是一种重要的光电材料，它拥有一整个分子大的π共轭体系、分子间存在强的π-π相互作用力和在芳香的溶剂中有较好的溶解性，这些优点使得C60分子适于用溶液法制备传输电子的有机单晶，但是因为C60简单立方的晶格允许晶体在其每个面上相对均匀地生长，它容易形成0维的纳米颗粒，难以实现多数的器件应用。
并且在现有技术中，缺乏快速制备大面积C60单晶纳米线的方法，也很难直接在目标基底上定位生长C60单晶纳米线，无法制备出高电子迁移率的有机场效应晶体管。
发明内容
本发明第一方面的一个目的是要在目标基底上制备出大面积、高迁移率的富勒烯单晶纳米线阵列。
本发明第一方面的一个进一步的目的是要在提拉的过程中，通过控制提拉速度接近溶剂蒸发速度时匀速提拉，保证提拉引起的溶质补充与纳米线的形成所消耗的溶质量相同，从而使得C60晶体在三维通道角落成核，并沿着三维通道边缘均匀生长而实现自组装，进一步保证纳米线富勒烯单晶纳米线阵列具有优异的结晶性。
本发明第二方面的一个的目的是要提供一种有机场效应晶体管，通过采用大面积、高迁移率的富勒烯单晶纳米线阵列，能够显著提升有机场效应晶体管的器件性能。
特别地，本发明提供了一种富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，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；
在所述绝缘层上沉积光刻胶，并通过光刻技术在所述光刻胶上进行光刻，以在所述基底上构筑三维立体通道；
配置C60溶液，将构筑有所述三维立体通道的所述基底浸没在所述C60溶液中，并通过提拉法将所述基底从所述C60溶液中匀速提拉出来，以在所述三维立体通道上自组装得到连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列。
进一步地，所述基底为掺杂的氧化硅/硅晶圆，所述绝缘层为BCB绝缘层、SU8绝缘层或PVP绝缘层中的一种。
进一步地，提供一氧化硅片作为基底的步骤包括：
将所述基底在85℃-95℃条件下浸泡在浓硫酸中1h-3h；
浸泡后的所述基底在丙酮、异丙醇和去离子水中各超声清洗8min-15min，待超声清洗结束后取出所述基底并用氮气流吹干；
将清洗吹干后的所述基底放入到氧等离子清洁器中，并在80W-120W的功率下对所述基底处理200s-400s。
进一步地，在所述基底上设置绝缘层的步骤包括：
配置绝缘层溶液，将所述绝缘层溶液旋涂在所述基底上以得到薄膜状的所述绝缘层；
在氮气环境中，将旋涂有所述绝缘层的所述基底放在加热台上加热固化。
进一步地，将旋涂有所述绝缘层的所述基底放在加热台上加热固化的步骤中，所述基底在所述加热台上以150℃-180℃条件加热20min-40min，完成后，再以250℃-280℃条件加热100min-150min。
进一步地，在所述绝缘层上沉积光刻胶，并通过光刻技术在所述光刻胶上进行光刻，以在所述基底上构筑三维立体通道的步骤包括：
在所述绝缘层上以3000r/min-4000r/min的速度旋涂光刻胶，并将旋涂有所述光刻胶的所述基底置于所述加热台上加热固化；
在光刻机中，对旋涂有所述光刻胶的所述基底套上掩膜板，并在紫外光环境下处理1s-2s，以在所述光刻胶上进行光刻；
将光刻处理后的所述基底置于显影液中进行显影，以得到构筑有所述三维立体通道的所述基底。
进一步地，在配置C60溶液，将构筑有所述三维立体通道的所述基底浸没在所述C60溶液中，并通过提拉法将所述基底从所述C60溶液中匀速提拉出来，以在所述三维立体通道上自组装得到连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列的步骤中，所述C60溶液的浓度为0.8mg/ml-1.5mg/ml，提拉的速度为30μm/s-80μm/s。
进一步地，还包括：
将制备有所述富勒烯单晶纳米线阵列的所述基底置于丙酮溶液中，以溶解所述光刻胶。
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富勒烯单晶纳米线阵列；
电极，设在所述富勒烯单晶纳米线阵列上，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，所述源极和漏极均为底层为钙，顶层为银的组合电极，所述电极通过热蒸发法蒸镀在所述富勒烯单晶纳米线阵列上。
本发明的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，通过在基底上构筑三维立体通道，然后将构筑有三维立体通道的基底浸没在C60溶液中，并通过提拉法将基底从C60溶液中匀速提拉出来，使C60分子在三维立体通道上自组装得到大面积、连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列。该制备方法操作简单，便于C60分子直接在基底上定向自组装，有利于富勒烯单晶纳米线阵列的大面积生长，适合大面积推广应用。
进一步地，本发明的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，在提拉的过程中，通过控制提拉速度接近溶剂蒸发速度时匀速提拉，保证提拉引起的溶质补充与纳米线的形成所消耗的溶质量相同，从而使得C60晶体在三维通道角落成核，并沿着三维通道边缘均匀生长而实现自组装，进一步保证纳米线富勒烯单晶纳米线阵列具有优异的结晶性。
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是本发明的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法的流程图；
图2是本发明的三维立体通道的制备流程示意图；
图3是本发明的提拉法的制备流程示意图；
图4是本发明的制备的富勒烯单晶纳米线阵列的不同倍率的显微镜图片；
图5是本发明的制备的富勒烯单晶纳米线阵列的透射电镜图；
图6是本发明中以不同提拉速度提拉的纳米线阵列的形貌图；
图7是本发明的有机场效应晶体管的器件结构示意图；
图8是本发明的有机场效应晶体管的显微镜放大图片；
图9是本发明的有机场效应晶体管的器件电性能转移曲线图；
图10是本发明的有机场效应晶体管的器件电性能输出曲线图；
图11是本发明统计的20个有机场效应晶体管电性能曲线图；
图12是本发明的有机场效应晶体管的器件性能参数图。
附图标记：
基底 10；
绝缘层 20；
光刻胶 30；
掩膜板 40；
三维立体通道 50。
具体实施方式
参见图1，本发明的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一氧化硅片作为基底；
S2、在基底上设置绝缘层；
S3、在绝缘层上沉积光刻胶，并通过光刻技术在光刻胶上进行光刻，以在基底上构筑三维立体通道；
S4、配置C60溶液，将构筑有三维立体通道的基底浸没在C60溶液中，并通过提拉法将基底从C60溶液中匀速提拉出来，以在三维立体通道上自组装得到连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列。
具体来说，参见图1至图3，在本发明的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法中，首先，可以提供一氧化硅片作为基底10，该基底10为在硅片的表面形成一层氧化硅，在本申请中，基底10可以优选为高掺杂的n型氧化硅/硅晶圆(可以具有300nm热生长的高掺杂氧化硅栅极介电层作为支撑层)。然后，在基底10上设置绝缘层20，其中，绝缘层20可以采用BCB绝缘层、SU8绝缘层或PVP绝缘层中的一种，在本申请中，绝缘层20的材料可以优选为BCB(苯并环丁烯)，并且硅晶圆上的一层氧化硅可以与BCB共同作为绝缘层。通过在氧化硅片上设置以BCB作为绝缘层20的目的是BCB材料表面的缺陷较少，有利于载流子的传输，并且BCB的表面能比硅晶圆表面能大，允许下一步工艺中光刻胶30的沉积，以及有利于C60分子(富勒烯)的有序排布。接着，可以在绝缘层20上沉积光刻胶30，在沉积光刻胶30的过程中可以采用条纹状的掩膜板40，以便在绝缘层20上沉积出光刻胶条纹。然后通过光刻技术在光刻胶30上进行光刻，以便于在基底10上构筑三维立体通道50(如图2所示)。
最后，配置C60溶液，本发明在配置C60溶液的过程中，可以二硫化碳作为溶剂，配置的C60溶液的浓度可以优选为1mg/ml。然后，可以将构筑有三维立体通道50的基底10浸没在C60溶液中，并通过提拉法将基底10从C60溶液中以较慢的速度匀速提拉出来，该过程涉及复杂的流体动力学，通过以较慢的速度匀速提拉，可以保证C60晶体的形成过程处于蒸发模式，即溶剂的蒸发速度和三维立体通道50从溶液中提拉出来的速度相匹配，此时由于提拉引起的溶质补充与C60纳米线的形成所消耗的溶质量相同，可以有利于在三维立体通道50上自组装得到连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列(参见图3)。
而当提拉的速度过慢时，例如小于溶剂蒸发速度时，由于溶质大量补充到晶核形成区域，会导致C60晶体的尺寸较大(达到微米级别)，形貌较为粗糙。而当提拉的速度过快时，例如大于溶剂蒸发速度时，由于溶质的消耗得不到迅速补充，导致形成的C60晶体的尺寸变小，容易出现不连续的形貌。
在本发明中，当三维立体通道50从C60溶液中提拉出来的时候，由于三维立体通道50的毛细作用力存在，使得C60溶液前端形成抛物线形状的弯月面，靠近三维立体通道50两边的溶液最薄，溶剂蒸发最快，C60分子的浓度最大，C60分子最先在三维立体通道50两边成核，从而达到控制C60晶体生长位置的目的。另外由于施加了与溶剂蒸发速度匹配的提拉速度，使得C60晶体沿着最先形成的成核点均匀生长，这有利于C60分子沿着三维立体通道50自组装，所以C60纳米线具有单晶的性质。
也就是说，在本发明的制备富勒烯单晶纳米线阵列的方法中，所制备的C60单晶纳米线阵列有众多的优点：(1)从C60单晶纳米线的构成上看，纳米线是由C60分子自组装形成。C60材料是一种重要的全共轭有机半导体，是电子传输的良好载体。本发明的制备方法不仅应用了一个和纳米线生长方向相同的单向作用力引导溶液中C60分子的定向自组装，而且引入三维立体通道50限制了C60溶液的弯月面形状，使得C60分子在三维立体通道50的角落成核，并沿着三维立体通道50边缘均匀成核，保证C60纳米线拥有出色的结晶性。(2)从C60单晶纳米线的形貌上看，C60纳米线是一维有机纳米线(非C60容易形成的0维纳米颗粒)，它的长度取决于基底10的长度，可以达到2.5英寸(晶圆级)，宽度和高度都是纳米级的，这表示纳米线拥有超高的比表面积，表现出高于10cm2 V-1s-1的电子迁移率，更有利于它的光电应用。(3)从C60单晶纳米线的生长位置上看，C60纳米线只沿着既定的三维立体通道50两端生长，这意味着纳米线的生长位置和间距都可以由通道的设计而改变。参见图4，图4是本发明的制备的富勒烯单晶纳米线阵列的不同倍率的显微镜图片，从图4中也能够得知，由本发明的制备方法制备出的富勒烯单晶纳米线阵列可以达到晶圆级别，并且纳米线之间的间距为3μm，呈周期性排布。其中单根纳米线拥有六方的截面[如图4(f)所示]，表明该C60单晶纳米线具有非常优异的结晶性。进一步地，参见图5，申请人还利用透射电镜(TEM)对制备的C60单晶纳米线阵列进行了相应的结构表征，从图5中可以得出，在单根纳米线的不同位置的选区电子衍射图案呈点阵分布且相同，同样可以表明所制备的纳米线具有优异的单晶性质。
由此，本发明的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，通过在基底10上构筑三维立体通道50，然后将构筑有三维立体通道50的基底10浸没在C60溶液中，并通过提拉法将基底10从C60溶液中匀速提拉出来，使C60分子在三维立体通道50上自组装得到大面积、连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列。该制备方法操作简单，便于C60分子直接在基底10上定向自组装，有利于富勒烯单晶纳米线阵列的大面积生长，适合大面积推广应用。
根据本发明的一个实施例，提供一氧化硅片作为基底10的步骤包括：将基底10在85℃-95℃条件下浸泡在浓硫酸中1h-3h；浸泡后的基底10在丙酮、异丙醇和去离子水中各超声清洗8min-15min，待超声清洗结束后取出基底10并用氮气流吹干；将清洗吹干后的基底10放入到氧等离子清洁器中，并在80W-120W的功率下对基底10处理200s-400s。
具体来说，在提供一氧化硅片作为基底10的过程中，需要对基底10进行清洗，首先，可以将硅晶圆在85℃-95℃(优选90℃)条件下浸泡在浓硫酸中1h-3h(优选2h)，然后将浸泡后的基底10分别在丙酮、异丙醇和去离子水中各超声清洗8min-15min(优选为10min)。待超声清洗结束后取出基底10，并用氮气流吹干晶圆上的水分。最后，将清洗吹干后的基底10放入到氧等离子清洁器中，并在80W-120W(优选100W)的功率下对基底10处理200s-400s(优选300s)。通过对基底10进行清洗的目的是为了出去基底10表面的杂质，并使基底10表面能增大，有利于溶液的铺展。
在本发明的一些具体实施方式中，在基底10上设置绝缘层20的步骤包括：配置绝缘层溶液，将绝缘层溶液旋涂在基底10上以得到薄膜状的绝缘层20；在氮气环境中，将旋涂有绝缘层20的基底10放在加热台上加热固化。
具体来说，在基底10上设置绝缘层20的过程中，首先，可以配置绝缘层溶液，本发明优选BCB作为绝缘层20，在配置苯并环丁烯溶液的过程中，以均三甲苯为溶剂，用移液枪将BCB溶液(均三甲苯溶剂体积比优选为1:10的溶液)覆盖满硅晶圆表面，然后以优选2000r/min的转速进行旋涂得到薄的BCB液膜(大约300nm厚)。然后在氮气环境下，将旋涂有BCB溶液的晶圆放在加热台上加热固化。在加热固化的过程中，可以在氮气环境下进行两阶段烘干，将硅晶圆放在加热台上，先以150℃-180℃(优选160℃)条件加热20min-40min(优选30min)，然后以250℃-280℃(优选260℃)条件加热100min-150min(120min)，从而在基底10表面沉积一层大约300nm厚的致密且平整的BCB薄膜。旋涂BCB薄膜作为绝缘层20的目的是BCB薄膜的表面缺陷较少，有利于载流子的传输。并且BCB薄膜的表面能比硅晶圆表面能大，允许下一步工艺中光刻胶30的沉积，更有利于C60分子的有序排布。
根据本发明的一个实施例，在绝缘层20上沉积光刻胶30，并通过光刻技术在光刻胶30上进行光刻，以在基底10上构筑三维立体通道50的步骤包括：在绝缘层20上以3000r/min-4000r/min的速度旋涂光刻胶30，并将旋涂有光刻胶30的基底10置于加热台上加热固化；在光刻机中，对旋涂有光刻胶30的基底10套上掩膜板40，并在紫外光环境下处理1s-2s，以在光刻胶30上进行光刻；将光刻处理后的基底10置于显影液中进行显影，以得到构筑有三维立体通道50的基底10。
具体地，在绝缘层20上沉积光刻胶30，并通过光刻技术在光刻胶30上进行光刻，以在基底10上构筑三维立体通道50的过程中，首先，可以在苯并环丁烯薄膜上以3000r/min-4000r/min(优选3500r/min)的速度旋涂光刻胶30，旋涂时间可以优选35s，再将旋涂有光刻胶30的基底10置于加热台上，并可以在100℃条件下加热3min。在光刻机中，对旋涂有光刻胶30的基底10套上掩膜板40，并在紫外光环境下处理1s-2s(优选1.6s)，以在光刻胶30上进行光刻。最后，将光刻处理后的基底10置于显影液中进行显影(显影时间可以优选8s)，显影完成后即可得到构筑有三维立体通道50的硅晶圆。
在本发明的一些具体实施方式中，在配置C60溶液，将构筑有三维立体通道50的基底10浸没在C60溶液中，并通过提拉法将基底10从C60溶液中匀速提拉出来，以在三维立体通道50上自组装得到连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列的过程中，C60溶液的浓度为0.8mg/ml-1.5mg/ml，优选1mg/ml，提拉的速度为30μm/s-80μm/s。通过提拉法将基底10从C60溶液中以30μm/s-80μm/s的速度匀速提拉时，可以保证C60晶体的形成过程处于蒸发模式，即溶剂的蒸发速度和三维立体通道50从溶液中提拉出来的速度相匹配，此时由于提拉引起的溶质补充与C60纳米线的形成所消耗的溶质量相同，可以有利于在三维立体通道50上自组装得到连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列。而当提拉的速度小于溶剂蒸发速度(10μm/s-30μm/s)时，由于溶质大量补充到晶核形成区域，会导致C60晶体的尺寸较大(达到微米级别)，形貌较为粗糙。而当提拉的速度大于溶剂蒸发速度(80μm/s-100μm/s)时，由于溶质的消耗得不到迅速补充，导致形成的C60晶体的尺寸变小，容易出现不连续的形貌。参见图6，图6中展示了三维立体通道50从浓度为1mg/ml的C60溶液中以不同速度提拉出来后，对应的纳米线阵列的形貌。从图6中同样可以看出，通过提拉法将基底10从C60溶液中以30μm/s-80μm/s的速度匀速提拉时，可以在三维立体通道50上自组装得到连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列。
在本发明中，当三维立体通道50从C60溶液中提拉出来的时候，由于三维立体通道50的毛细作用力存在，使得C60溶液前端形成抛物线形状的弯月面，靠近三维立体通道50两边的溶液最薄，溶剂蒸发最快，C60分子的浓度最大，C60分子最先在三维立体通道50两边成核，从而达到控制C60晶体生长位置的目的。另外由于施加了与溶剂蒸发速度匹配的提拉速度，使得C60晶体沿着最先形成的成核点均匀生长，这有利于C60分子沿着三维立体通道50自组装，所以C60纳米线具有单晶的性质。
根据本发明的一个实施例，富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法还包括：将制备有富勒烯单晶纳米线阵列的基底10置于丙酮溶液中，以溶解光刻胶30。也就是说，在基底10上制备出C60单晶纳米线阵列后，还可以将该基底10浸没在常温的丙酮溶液中大约3s，以除去未刻蚀的剩余光刻胶。然后取出后氮气流吹干纳米线阵列上残留的丙酮。本发明使用了不耐丙酮的光刻胶30，在光刻胶30的两侧生长出C60有机单晶纳米线后，利用光刻胶30在丙酮中立即溶解和C60纳米线几乎不溶于丙酮的差异，可以去除光刻胶条纹只留下纳米线阵列。这使得光刻胶通道辅助生成的有机晶体成功应用于有机场效应晶体管，光刻胶30远高于纳米线造成蒸镀上的金属电极不能很好的与纳米线接触，且光刻胶30与纳米线之间巨大的高度落差，可能会使金属电极不连续，在光刻胶30辅助生长有机晶体中实现去除光刻胶30的技术具有突破性。
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的制备方法制备的富勒烯单晶纳米线阵列和电极。其中，电极设在富勒烯单晶纳米线阵列上，以构造成有机场效应晶体管。电极包括源极和漏极，均为底层为钙，顶层为银的组合电极，电极可以通过热蒸发法蒸镀在富勒烯单晶纳米线阵列上。
具体来说，本发明的有机场效应晶体管可以采用底栅顶接触的叠层器件结构(参见图7)，由带有300nm氧化层的硅基底10、苯并环丁烯聚合物的绝缘层20、C60有机单晶纳米线阵列以及钙/银电极各个功能层构成。本发明的有机场效应晶体管的显微镜放大图如图8所示。在有机场效应晶体管的一个具体制备工艺中，第一步清洗硅片：可以将4英寸的硅晶圆切割成若干长1.5cm，宽1.2cm的切片，浸泡在90℃的浓硫酸中2h后，倒掉浓硫酸，注入去离子水涮洗三次，然后依次在丙酮，异丙醇和去离子水中各超声清洗10min。最后用氮气流吹干硅片上的水分，再放入到氧等离子清洁器(PVA，Ion 40)中，在100W的功率下进一步处理切片300s。
第二步沉积BCB聚合物绝缘层：首先，将体积比BCB：均三甲苯溶剂＝1：10的溶液覆盖满硅片的表面，然后用旋涂机以2000r/min的转速使溶液在硅片表面覆盖均匀并甩去多余的溶液，并在氮气环境下进行两阶段烘干，先160℃加热30min，然后260℃加热120min，从而在硅片表面沉积一层300nm厚的致密且平整的BCB薄膜。
第三步是在BCB薄膜上沉积光刻胶30：首先，将光刻胶30(AR-P5350型号)覆盖满苯并环丁烯薄膜，然后以3500r/min的速度旋涂35s，再把它放在100℃的加热台上3min。其次，使用光刻机(Karl Suss，MJB4)并通过使用掩模板(3μm的透明区域/3μm的不透明区域周期性条纹)将它暴露于紫外光照射1.6s，然后在显影液中显影8s，在BCB绝缘层上制备了1μm高的光刻胶条纹，光刻胶条纹与BCB绝缘层构成了三维立体通道50。
第四步是C60单晶纳米线的生长：首先，将制备好的三维立体通道50浸没在富含C60分子的二硫化碳溶液中(1mg/ml)，然后以80μm/s的速度将它从溶液中匀速提拉出来，三维立体通道50的两侧生长出300nm宽、厘米级长度的C60单晶纳米线。最后，将它浸没在常温的丙酮中3s，然后取出用氮气流吹干半成品上的残余丙酮，去除光刻胶30。
第五步是在纳米线上蒸镀源漏电极：将金属掩膜覆盖在纳米线的顶部并固定，放入真空热蒸镀仪，先以
Figure BDA0002507099630000101
s-1的蒸镀速率在纳米线顶部沉积15nm的钙，再以
Figure BDA0002507099630000102
s-1的蒸镀速率继续沉积100nm的银，从而获得钙银电极的源漏电极。
本发明的有机场效应晶体管的制备方法制备的有机场效应晶体管，可以以300nm后的氧化硅和300nm厚的BCB共同作为绝缘层20，该器件有低达10-12A的漏电流。此外，相比于大多数直接用氧化硅作用绝缘层20的技术方案，BCB薄膜的绝缘层20表面缺陷态极少，整个器件最重要的是绝缘层20表面和有机半导体层之间的界面，因为导电沟道在绝缘层20的表面，极少的表面缺陷态不影响导电沟道中的电子传输，从转移曲线的回滞较小可以看到。BCB的表面能较高，能使溶液铺展开，并使C60晶体的成核势垒较小，才能允许C60晶体在绝缘层20表面成核生长。
申请人同样对制备的有机场效应晶体管进行了相应的电学性能表征，其中，图9是本发明的有机场效应晶体管的器件电性能转移曲线图，图10是本发明的有机场效应晶体管的器件电性能输出曲线图，图11是本发明统计的20个有机场效应晶体管电性能曲线图，图12是本发明的有机场效应晶体管的器件性能参数图。从图9至图12中可以看出，该有机场效应晶体管展示出标准的转移线型曲线(图9)和输出曲线(图10)，并且同个样品上的20个器件的性能几乎相同(图11)，并通过饱和区迁移率公式计算得出该有机场效应晶体管的最高电子迁移率可以达到11.32cm2 V-1s-1，平均电子迁移率达到了5.63cm2 V-1s-1，开关比为107，阈值电压低至0-7V(参见图12)。目前，文献报道的n型有机场效应晶体管的最高迁移率很少有超过10cm2 V-1s-1的，并且由于器件结构的原因，现有的有机场效应晶体管得到的电性能曲线通常有阈值电压大，开关比小，有两段斜率的问题，造成迁移率错估，经过文献中的方法修正后只有个位数的迁移率。而本发明提出的器件结构制备的n型有机场效应晶体管表现出高于10cm2 V-1s-1的电子迁移率，标准的线型，高的可靠因子，是一种性能非常优异的n型有机场效应晶体管。
在本发明的有机场效应晶体管的制备过程中，采用C60有机单晶纳米线作为有机半导体层。C60分子整体是个大的π-π共轭体系，所以电子可以在分子上自由的传输。有机单晶纳米线区别于有较多晶界的多晶纳米线，电子可以在分子间高效传输，使晶体管拥有极其高的电子场效应迁移率。纳米线拥有纳米级的尺寸，本身拥有众多优点，极其大的比表面积，金属电极包覆在纳米线上，增加了晶体管中电子的有效传输面积。
此外，本发明使用钙银组合电极作为源漏电极。钙的功函数比C60晶体的电子离化能小，所以钙电极和C60晶体之间是欧姆接触，有利于载流子的注入和输出，欧姆接触的器件往往比非欧姆接触的器件迁移率高数个量级。本发明继续在钙电极上蒸镀银电极，银电极致密且导电性优异，而且钙容易被空气氧化，银的覆盖能隔绝空气，保护钙电极，使n型有机场效应晶体管的性能稳定。
总而言之，本发明的有机场效应晶体管，通过采用大面积、高迁移率的富勒烯单晶纳米线阵列，能够显著提升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)

1.一种富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，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；
在所述绝缘层上沉积光刻胶，并通过光刻技术在所述光刻胶上进行光刻，以在所述基底上构筑三维立体通道；
配置C60溶液，将构筑有所述三维立体通道的所述基底浸没在所述C60溶液中，并通过提拉法将所述基底从所述C60溶液中匀速提拉出来，以在所述三维立体通道上自组装得到连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列。
2.根据权利要求1所述的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，其特征在于，所述基底为掺杂的氧化硅/硅晶圆，所述绝缘层为BCB绝缘层、SU8绝缘层或PVP绝缘层中的一种。
3.根据权利要求2所述的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，其特征在于，提供一氧化硅片作为基底的步骤包括：
将所述基底在85℃-95℃条件下浸泡在浓硫酸中1h-3h；
浸泡后的所述基底在丙酮、异丙醇和去离子水中各超声清洗8min-15min，待超声清洗结束后取出所述基底并用氮气流吹干；
将清洗吹干后的所述基底放入到氧等离子清洁器中，并在80W-120W的功率下对所述基底处理200s-400s。
4.根据权利要求2所述的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，其特征在于，在所述基底上设置绝缘层的步骤包括：
配置绝缘层溶液，将所述绝缘层溶液旋涂在所述基底上以得到薄膜状的所述绝缘层；
在氮气环境中，将旋涂有所述绝缘层的所述基底放在加热台上加热固化。
5.根据权利要求4所述的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，其特征在于，将旋涂有所述绝缘层的所述基底放在加热台上加热固化的步骤中，所述基底在所述加热台上以150℃-180℃条件加热20min-40min，完成后，再以250℃-280℃条件加热100min-150min。
6.根据权利要求4所述的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，其特征在于，在所述绝缘层上沉积光刻胶，并通过光刻技术在所述光刻胶上进行光刻，以在所述基底上构筑三维立体通道的步骤包括：
在所述绝缘层上以3000r/min-4000r/min的速度旋涂光刻胶，并将旋涂有所述光刻胶的所述基底置于所述加热台上加热固化；
在光刻机中，对旋涂有所述光刻胶的所述基底套上掩膜板，并在紫外光环境下处理1s-2s，以在所述光刻胶上进行光刻；
将光刻处理后的所述基底置于显影液中进行显影，以得到构筑有所述三维立体通道的所述基底。
7.根据权利要求6所述的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，其特征在于，在配置C60溶液，将构筑有所述三维立体通道的所述基底浸没在所述C60溶液中，并通过提拉法将所述基底从所述C60溶液中匀速提拉出来，以在所述三维立体通道上自组装得到连续且表面光滑的富勒烯单晶纳米线阵列的步骤中，所述C60溶液的浓度为0.8mg/ml-1.5mg/ml，提拉的速度为30μm/s-80μm/s。
8.根据权利要求6所述的富勒烯单晶纳米线阵列的制备方法，其特征在于，还包括：
将制备有所述富勒烯单晶纳米线阵列的所述基底置于丙酮溶液中，以溶解所述光刻胶。
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富勒烯单晶纳米线阵列；
电极，设在所述富勒烯单晶纳米线阵列上，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，所述源极和漏极均为底层为钙，顶层为银的组合电极，所述电极通过热蒸发法蒸镀在所述富勒烯单晶纳米线阵列上。
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