CN112635673A - 一种高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管及其制备方法，属于光电元器件领域。包括依次设置的柔性衬底、有机小分子2，7‑Dioctyl[1]benzothieno[3，2‑b][1]benzothiophene(C8‑BTBT)与惰性聚合物混合体系以及高速中心旋涂法、low‑k/h gh‑k双介电层。本发明通过控制混合体系的比例用高速中心旋涂法制备了性能均一可大面积制造的有机半导体薄膜，设计了PVA/P(VDF‑TrF‑CFE)双介质的顶删结构晶体管，制备了柔性可低压操作的有机薄膜晶体管，在5V的操作电压下，迁移率达3.18cm‑/Vs，开关比超过105。
Description
技术领域
本发明涉及光电元器件技术领域，尤其涉及一种高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管及其 制备方法。
背景技术
薄膜晶体管是电子显示领域的重要电子元器件，其性能的好坏直接决定着显示技术的发 展状况。因此，不断发展创新薄膜晶体管是当前社会科技发展的需要。有机小分子半导体， 由于其高的迁移率受到研究者广泛关注。而2，7-Dioctyl[1]benzothieno[3，2-b][1]benzothiophene (C8-BTBT)作为一种高迁移率的P型半导体，是目前研究较为广泛的有机小分子半导体材 料，但是也存在着一些问题，比如前驱体溶液粘度太低无法旋涂在衬体上。
近年来，科研工作者将有机小分子半导体与聚合物混合，利用聚合物优良的溶液加工性 能，来辅助小分子在衬体上成膜，通过垂直相分离制备高性能有机薄膜晶体管。而由于有机 小分子在有机溶剂里的普遍溶解性，导致顶删结构晶体管的制备困难，目前基于有机小分子 半导体顶栅结构晶体管用的多是CYTOP这种介质。这里我们采用水溶性聚合物PVA为修饰 层来解决正交溶剂选择困难的问题。栅介电层选择具有高电介常数弛豫铁电聚合物Poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofloroethylene)(P(VDF-TrFE-CFE))在柔性PET基板 上制备了这种双介电层顶栅结构有机薄膜晶体管，获得了高迁移率的柔性低压有机薄膜晶体 管。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种高迁移率的柔性低压有机薄膜晶体管的制备方法。 本发明提供的有机小分子C8BTBT与聚合物混合半导体层与双介电层相结合制备的柔性薄膜 晶体管同时具有高迁移率与低压操作的优点。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种有机小分子与聚合物混合的薄膜晶体管，包括依次设置的衬底、有机小分子2，7-Dioctyl[1]benzothieno[3，2-b][1]benzothiophene(C8-BTBT)与惰性聚合物混合体系、双介 电层以及高速中心旋涂法、金属电极对。
优选地，所述双介电层为PVA/P(VDF-TrFE-CFE)。
优选地，所述衬底包括PET等柔性塑料基底。
优选地，所述金属电极对的间距为50～150nm。
本发明还提供了上述技术方案所述高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管的制备方法，包括 以下步骤：
提供衬底、C8-BTBT与聚合物混合前驱体溶液，双介电层，所述C8-BTBT与聚合物混合前驱体溶液为C8BTBT/PMMA混合前驱体液，所述双介电层为PVA/P(VDF-TrFE-CFE)；
(1)在所述柔性衬底上覆盖金属电极，形成源漏电极；
(2)在所述镀有电极的柔性基板上高速中心旋涂C8-BTBT与聚合物混合前驱体溶液，形 成C8-BTBT半导体层；
(3)在所述C8-BTBT半导体层上依此制备PVA修饰层和P(VDF-TrFE-CFE)绝缘层
(4)在所述P(VEF-TrFE-CFE)表面固定位置覆盖金属栅电极，得到高迁移率柔性低压有机 薄膜晶体管。
优选地，所述步骤(2)中旋涂在氮气手套箱中进行，得到所述C8-BTBT混合半导体层后 还包括：将混合半导体层在氮气手套箱中加热，所述加热温度为60～80℃，所述加热时间为 15分钟。
优选地，所述步骤(3)中旋涂在氮气手套箱中进行，要求PVA层与高kP(VDF-TrFE-CFE) 层分别70℃加热2小时。
本发明提供了一种高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管及其制备方法，属于光电元器件领 域。包括依次设置的衬底、有机小分子C8-BTBT与惰性聚合物混合体系以及高速中心旋涂法、 PVA/P(VDF-TrFE-CFE)双介电层和金属栅电极。本发明通过控制混合体系的比例用高速中心 旋涂法制备了性能均一可大面积制造的混合半导体薄膜，通过配备PVA/P(VDF-TrFE-CFE)双 介电层可以在不牺牲迁移率的情况下实现低压操作，PVA的引入在一方面解决了正交溶剂选 择困难的问题，另一方面减弱了高k栅介电层P(VDF-TrFE-CFE)的强极化作用，我们所制备 的柔性低压有机薄膜晶体管在5V的操作电压下，器件迁移率达到3.18cm2V-1·s-1，开关比高 达106。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1中柔性低压有机薄膜晶体管的器件结构图；
图2为本发明实施例1中器件的转移特性曲线；
图3为本发明实施例1中器件的输出特性曲线；
具体实施方式
本发明提供了一种高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管的制备方法，包括依次设置的衬底、 有机小分子C8-BTBT与惰性聚合物混合体系以及高速中心旋涂、PVA/P(VDF-TrFE-CFE)双介 电层，金属电极对。
在本发明中，所述的高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述衬底包括PET 等柔性塑料基底，所述衬底优选为具有平面结构。
在本发明中，高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述有机小分子C8-BTBT 与聚合物混合体系，聚合物的占比较小，优选为5％～20％
在本发明中，所述高速中心旋涂，其特征在于，所述高速中心旋涂针对于有机小分子 C8-BTBT与聚合物混合半导体层，旋涂速度优选为4000r/min～7000r/min
在本发明中，所述的高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管，其特征在于，所述双介电层为 水溶性PVA修饰层与高kP(VDF-TrFE-CFE)绝缘层。
本发明以有机小分子C8-BTBT为半导体材料，以聚合物作为其混材料来提高溶液加工性 能，高速中心旋涂后，通过垂直相分离，制备了性能均一的薄膜，通过配备 PVA/P(VDF-TrFE-CFE)双介电层可以在不牺牲迁移率的情况下实现低压操作，PVA的引入在 一方面解决了正交溶剂选择困难的问题，另一方面减弱了高k栅介电层P(VDF-TrFE-CFE)的 强极化作用，我们所制备的柔性低压有机薄膜晶体管在3V的操作电压下器件迁移率达到3.18cm2·V-1·s-1，开关比高达106。
本发明还提供了上述技术方案所述有机小分子与聚合物混合的薄膜晶体管的制备方法， 包括以下步骤：
(1)提供柔性衬底、C8-BTBT与聚合物混合前驱体溶液，双介电层，所述C8-BTBT与聚 合物混合前驱体溶液为C8BTBT/PMMA混合前驱体液所述双介电层为 PVA/P(VDF-TrFE-CFE)；
(2)在所述柔性衬底上覆盖金属对电极，形成源漏电极；
(3)在所述低表面能聚合物界面高速中心旋涂C8-BTBT与聚合物混合前驱体溶液，形成 C8-BTBT半导体层；
(4)在所述混合半导体层上制备PVA/P(VDF-TrFE-CFE)双介电层；
(5)在介电层上固定位置蒸镀上金属栅电极；
本发明提供PET衬底。在本发明中，所述PET衬底的预处理方式没有特殊的限定，能够 使衬底洁净即可。
本发明提供C8-BTBT与聚合物混合前驱体溶液。在本发明中，所述C8BTBT/PMMA前驱体溶液优选包括C8BTBT、PMMA和氯苯。在本发明中，所述C8BTBT、PMMA摩尔数与 氯苯体积比为5mol∶1mol∶1ml，简单混合溶解即可。本发明对所述C8BTBT、PMMA和 氯苯采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述C8BTBT纯度优选为99％， PMMA(Mw＝996kDa)以及氯苯均购买于Sigma-Aldrich。
在本发明中，所述旋涂优选在匀胶机上进行。在本发明中，所述匀胶机的转速优选为 4000～7000r/min，更优选为5500r/min；旋转时间优选为20～40s，更优选为30s。
得到混合半导体薄膜后，在半导体薄膜上分别用旋涂法制备PVA修饰层和 P(VDF-TrFE-CFE)电介层。
在本发明中，所述旋涂优选在匀胶机上进行。在本发明中，所述匀胶机的转速优选为 2000～4000r/min，更优选为3000r/min；旋转时间优选为50～70s，更优选为60s。
在本发明中，所述旋涂优选在氮气手套箱中进行，得到所述电阶层后分别70℃加热2小 时。
制备双介电层后，本发明在所述介电层表面固定位置覆盖金属栅电极，本发明对所述覆 盖金属电极对的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备电极的技术方案即可。 在本发明中，所述覆盖金属电极对的方式优选为蒸镀，更优选为真空蒸镀，在本发明中，所 述真空蒸镀的温度优选为1000～1200℃，更优选为1050～1150℃；所述真空蒸镀的时间优选为 20～30min，更优选为24-26min；所述真空蒸镀的真空度优选为3-4×10-4Pa。在本发明中， 所述蒸镀时的靶材优选为铝。
在本发明中，所述有机小分子与聚合物混合的薄膜晶体管优选在无水且无氧的惰性条件 下使用。本发明对所述有机小分子与聚合物混合的薄膜晶体管的连接方式没有特殊的限定， 采用本领域技术人员熟知的与电源连接的方式即可。
下面结合实施例对本发明提供的高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管及其制备方法进行详 细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将25mg C8BTBT和5mg PMMA装入有5mL氯苯的样品瓶中，搅拌得到C8BTBT/PMMA 混合前驱体溶液。将20mg PVA装入有5ml去离子水的样品瓶中搅拌都得到PVA前驱体 溶液。将160mg P(VDF-TrFE-CFE)装入有4ml丁酮的样品瓶中，搅拌都得到P(VDF-TrFE-CFE) 前驱体溶液。在本发明中，样品瓶在使用前需要用丙酮、异丙醇和去离子水清洗，本发明依 次采用丙酮、异丙醇和去离子水各1次。
在洁净地PET衬底上蒸镀金电极，作为源漏电极。
将得到的C8BTBT/PMMA混合前驱体溶液在氮气手套箱中通过匀胶机旋涂在覆盖有源 漏电极的PET衬底上，得到混合半导体层。匀胶机的转速优选为5000rpm，旋转时间优选为 30s。将所述混合半导体层在氮气手套箱中进行加热，加热温度优选为70℃，加热时间优选为 15分钟。
加热完成后，冷却到室温，通过匀胶机将PVA前驱体溶液旋涂在混合半导体层上方，得 到PVA修饰层。本发明中，PVA前驱体旋涂速度优选为3000rpm，旋涂时间优选为60s。然后在手套箱中70℃退火2小时。
在PVA修饰层上，通过匀胶机将P(VDF-T-FF-CFE)前驱体溶液旋涂在PVA修饰层上方， 得到P(VDF-TrFE-CFE)介电层。本发明中，Ｐ(VDF-TrFE-CFE)前驱体旋涂速度优选为3000 rpm，旋涂时间优选为60s。然后在手套箱中70℃退火2小时。
将得到的介电层到贴在特定形状的掩膜版上，通过真空蒸镀一层30nm厚的铝电极。去 除掩膜版得到高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管。
本实施例中柔性低压有机薄膜晶体管的结构图如图1所示。
本实施例中C8BTBT的X射线衍射谱图如图2所示，从图2可以看出C8BTBT的结晶 性良好。
本实施例中柔性低压有机薄膜晶体管的性能如图2，3所示，从图3中可以得到所述柔性 低压有机薄膜晶体管在5V的操作电压下迁移率达3.18cm2/Vs，开关比超过105。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发 明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管及其制备方法，包括依次设置的柔性衬底、有机小分子2，7-Dioctyl[1]benzothieno[3，2-b][1]benzotbiophene(C8-BTBT)与惰性聚合物混合体系以及高速中心旋涂、low-k/high-k双电介层。
2.根据权利要求1所述的有机小分子C8-BTBT与聚合物混合的薄膜晶体管，其特征在于，所述有机小分子C8-BTBT与聚合物混合体系，聚合物的占比较小，优选为5％～20％。
3.根据权利要求1所述高速中心旋涂，其特征在于，所述高速中心旋涂针对于有机小分子C8-BTBT与聚合物混合半导体层，旋涂速度优选为4000r/min～7000r/min。
4.根据权利要求1所述low-k/high-k双电介层，其特征在于，low-k个电层为具有低介电常数的水溶性聚合物如PVA等，high-k介电层为弛豫铁电聚合物P(VDF-TrFE-CFE)。
5.根据权利要求1～4任意一项所述高迁移率柔性低压有机薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供柔性PET衬底、C8-BTBT与聚合物混合前驱体溶液，所述C8-BTBT与聚合物混合前驱体溶液为C8BTBT/PMMA混合前驱体液，PVA前驱体溶液，P(VDF-TrFE-CFE)前驱体溶液；
(2)在所述衬底上覆盖金属电极，形成源漏电极；
(3)在所述覆盖有源漏电极的衬底上，旋涂C8-BTBT/PMMA混合前驱体溶液，生成半导体薄膜；
(4)在所述半导体薄膜上旋涂PVA前驱体溶液，形成PVA修管层；
(5)在所述PVA修饰层上旋涂P(VDF-TrFE-CFE)前驱体溶液，形成介电层。
6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中旋涂在氮气手套箱中进行，要求中心旋涂速度在4000r/min～7000r/min之间，得到所述C8 BTBT半导体层。
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- 2019-09-24 CN CN201910914422.2A patent/CN112635673B/zh active Active
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Application publication date: 20210409 Assignee: Jiangxi Xinyuan New Material Technology Co.,Ltd. Assignor: Hubei University Contract record no.: X2025980004224 Denomination of invention: A high mobility flexible low-voltage organic thin film transistor and its preparation method Granted publication date: 20241018 License type: Open License Record date: 20250226 |
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Application publication date: 20210409 Assignee: Jiangxi Renfa Technology Co.,Ltd. Assignor: Hubei University Contract record no.: X2025980004480 Denomination of invention: A high mobility flexible low-voltage organic thin film transistor and its preparation method Granted publication date: 20241018 License type: Open License Record date: 20250304 |