CN112652718A - 一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法。本发明采用酸溶液对全有机薄膜晶体管器件的PEDOT：PSS源漏电极进行酸处理，使电极的导电率(σdc)从2.69S/cm提高到5.52×102S/cm，全有机薄膜晶体管器件的载流子高达1.36cm2V‑1s‑1，超过了非晶硅的载流子迁移率。

Description

一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法
技术领域
本发明属于有机薄膜晶体管领域，具体涉及一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法。
背景技术
自2000年H.Sirringhaus首次制备了高分率的全有机薄膜晶体管器件以来，全有机的OTFT器件载流子迁移率只有0.001-0.15cm2V-1s-1左右。载流子迁移率较低仍然是制约其应用的瓶颈。根据研究结果，低载流子迁移率主要是由于器件的接触电阻较大(15.0MΩ·cm)，比真空蒸镀金属电极的OTFT器件接触电阻大了2-3个数量级，这么大接触电阻主要来源于PEDOT：PSS的体电阻。没有经过任何处理的PEDOT:PSS电导率比较低，只有1S/cm左右，低电导率导致OTFT器件测试时较低的IDS电流，从而通过公式计算的载流子迁移率也比较低。
文献中已有一些报道可以提高PEDOT:PSS的电导率，包括在PEDOT:PSS溶液中添加如阴离子表面活性剂、乙二醇、二甲基亚砜、离子液体等等，或者用有机溶剂、盐、两性离子液体、酸等对PEDOT:PSS薄膜进行后处理，都能提高其电导率。但这些方法对PEDOT:PSS的电导率提高程度不大，如何更进一步提高PEDOT:PSS的电导率有待研究。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法。本发明提出利用质量浓度为98％的浓硫酸对电极材料进行后处理，从而提高电极材料的电导率，进而提高有机薄膜晶体管器件的电导率。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，将PEDOT源漏电极进行酸处理，包括以下步骤：
采用喷墨打印技术制备PEDOT源漏电极，将PEDOT源漏电极加热处理，冷却后在PEDOT源漏电极表面加酸并静置一段时间，洗涤，干燥后热退火处理。
所述全有机薄膜晶体管器件的结构由下往上依次为：衬底、聚乙烯醇(PVA)界面修饰层、PEDOT源漏电极、PDQT有源层、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)绝缘层、聚乙烯醇(PVA)界面修饰层和PEDOT栅极。
优选地，所述PEDOT源漏电极和PEDOT栅极的材料均为导电聚合物PEDOT:PSS 500。
优选地，所述加热处理的温度为80～200℃，时间为5～15min。
优选地，所述冷却为自然冷却。
优选地，所述酸为硫酸、盐酸和硝酸中的至少一种，更优选为质量浓度为50～98％的浓硫酸酸、浓盐酸和浓硝酸中的至少一种。
优选地，所述静置的时间为5～15min。
优选地，所述洗涤为用水冲洗，所述干燥为氮气干燥。
优选地，所述热退火处理的温度为80～200℃，时间为5～15min。
优选地，所述衬底为透明玻璃。
优选地，所述聚乙烯醇(PVA)界面修饰层的厚度为40～100nm，PDQT有源层的厚度为40～100nm，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)绝缘层的厚度为400～600nm，聚乙烯醇(PVA)界面修饰层的厚度≤10nm；所述全有机薄膜晶体管器件的沟道长度为10μm，宽度为460μm。
优选地，所述聚乙烯醇(PVA)界面修饰层、PDQT有源层、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)绝缘层和聚乙烯醇(PVA)界面修饰层均采用溶液旋涂的方法进行制备，在大气环境下通过喷墨打印工艺制备OTFT器件的源、漏、栅电极，电极材料为PEDOT:PSS 500。
本专利首次提出采用浓硫酸对PEDOT:PSS进行处理，并应用到全有机薄膜晶体管器件中，其机理是通过加入酸溶液进行后处理，会破坏PEDOT与PSS之间的库仑力，导致PEDOT与PSS发生相分离，具有绝缘性质的PSS部分被洗掉，从而导致具有导电功能的PEDOT成分增加，使其薄膜的电导率增加2-3个数量级，进而使全有机薄膜晶体管器件的载流子高达1.36cm2V-1s-1，超过了非晶硅的载流子迁移率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
本发明采用湿法制备全有机薄膜晶体管器件，PEDOT：PSS源漏电极采用浓度为98％的浓强酸进行后处理，使电极的导电率(σdc)从2.69S/cm提高到5.52×102S/cm，全有机的全溶液工艺OTFT器件的载流子为1.36cm2V-1s-1，超过了非晶硅的载流子迁移率。
附图说明
图1为本发明所述湿法制备高迁移率的全有机薄膜晶体管器件结构示意图。
图2为实施例1所得PEDOT:PSS 500源漏电极在浓硫酸处理前后电导对比，其中处理前为左图，处理后为右图。
图3a为OTFT器件输出特性曲线(ID～VD)，图中电压由上到下依次为-30V、-24V、-18V、-12V、-6V和0V；b为OTFT器件的转移特性曲线(ID～VG)以及漏电流曲线(IGS～VG)；c为：|ID|1/2与VG的特性曲线，其中OTFT器件为实施例1所得。
图4为对比例1中PEDOT：PSS 500没有进行浓硫酸处理OTFT器件。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
选用图1所示的器件结构，在打印PEDOT:PSS 500墨水前，先对玻璃衬底进行了预处理，分别用四氢呋喃、洗液、去离子水、去离子水、异丙醇超声清洗10分钟，洗干净后把玻璃衬底放入干燥箱内烘干。烘干后对玻璃基板进行5分钟的氧气Plasma处理，以增大其表面能。PVA溶液浓度为20mg/ml，溶剂是去离子水，在90℃下加热5小时至全部溶解，用0.45μm的过滤头过滤后，使用KW-4A匀胶机在2000rmp转速下均匀成膜，厚度为50nm。采用压电喷墨打印技术制备PEDOT:PSS 500电极，把打印好的PEDOT:PSS 500线(点间距为40μm)在手套箱内加热120℃，10分钟，自然冷却后取出，用移液器在PEDOT:PSS 500表面滴满质量浓度为98％的浓硫酸溶液，静放10分钟，然后将浓硫酸废液回收至玻璃瓶内，并做好标记。PEDOT基板用大量的去离子水冲洗，去除多余的硫酸，然后用气枪吹干，并在氮气中进行120℃、10分钟的加热退火处理。有源共轭高分子半导体材料PDQT，配制浓度为6mg/ml，溶剂是氯仿，在无水无氧的氮气手套箱内旋涂成膜，转速为2000rmp，旋涂之前溶液用0.45μm的过滤头过滤，厚度为60nm，然后将基板在手套箱内进行120℃，30分钟的热处理。PMMA作为绝缘层材料，溶剂为乙酸正丁酯，厚度为450nm。在PMMA表面制备一薄层PVA作为界面修饰层，溶剂为去离子水，其厚度<10nm。最后压电喷墨打印PEDOT:PSS 500栅极，得到沟道长度为10μm，宽度为460μm的OTFT器件。
实施例2
选用图1所示的器件结构，在打印PEDOT:PSS 500墨水前，先对玻璃衬底进行了预处理，分别用四氢呋喃、洗液、去离子水、去离子水、异丙醇超声清洗10分钟，洗干净后把玻璃衬底放入干燥箱内烘干。烘干后对玻璃基板进行5分钟的氧气Plasma处理，以增大其表面能。PVA溶液浓度为20mg/ml，溶剂是去离子水，在90℃下加热5小时至全部溶解，用0.45μm的过滤头过滤后，使用KW-4A匀胶机在2000rmp转速下均匀成膜，厚度为50nm。采用压电喷墨打印技术制备PEDOT:PSS 500电极，把打印好的PEDOT:PSS 500线(点间距为40μm)在手套箱内加热120℃，10分钟，自然冷却后取出，用移液器在PEDOT:PSS 500表面滴满质量浓度为69％的浓硫酸溶液，静放10分钟，然后将浓硫酸废液回收至玻璃瓶内，并做好标记。PEDOT基板用大量的去离子水冲洗，去除多余的硫酸，然后用气枪吹干，并在氮气中进行120℃，10分钟的加热退火处理。有源共轭高分子半导体材料PDQT，配制浓度为6mg/ml，溶剂是氯仿，在无水无氧的氮气手套箱内旋涂成膜，转速为2000rmp，旋涂之前溶液用0.45μm的过滤头过滤，厚度为60nm，然后将基板在手套箱内进行120℃，30分钟的热处理。PMMA作为绝缘层材料，溶剂为乙酸正丁酯，厚度为450nm。在PMMA表面制备一薄层PVA作为界面修饰层，溶剂为去离子水，其厚度<10nm。最后打印PEDOT:PSS 500栅极，得到沟道长度为10μm，宽度为460μm的OTFT器件。
对比例1
选用图1所示的器件结构，在打印PEDOT：PSS 500墨水前，先对玻璃衬底进行了预处理，分别用四氢呋喃、洗液、去离子水、去离子水、异丙醇超声清洗10分钟，洗干净后把玻璃衬底放入干燥箱内烘干。烘干后对玻璃基板进行5分钟的氧气Plasma处理，以增大其表面能。PVA溶液浓度为20mg/ml，溶剂是去离子水，在90℃下加热5小时至全部溶解，用0.45μm的过滤头过滤后，使用KW-4A匀胶机在2000rmp转速下均匀成膜，厚度为50nm。采用压电喷墨打印技术制备PEDOT：PSS 500电极，把打印好的PEDOT：PSS 500线(点间距为40μm)在手套箱内加热120℃，10分钟，自然冷却。之后有源共轭高分子半导体材料PDQT，配制浓度为6mg/ml，溶剂是氯仿，在无水无氧的氮气手套箱内旋涂成膜，转速为2000rmp，旋涂之前溶液用0.45μm的过滤头过滤，厚度为60nm，然后将基板在手套箱内进行120℃，30分钟的热处理。PMMA作为绝缘层材料，溶剂为乙酸正丁酯，厚度为450nm。在PMMA表面制备一薄层PVA作为界面修饰层，溶剂为去离子水，其厚度<10nm。最后打印PEDOT:PSS 500栅极，得到沟道长度为10μm，宽度为460μm的OTFT器件。
采用压电喷墨打印技术制备了OTFT的源漏电极及栅极，通过浓硫酸处理PEDOT：PSS 500源漏电极，其电导率从酸处理前的2.69S/cm提高到5.52×102S/cm，增加2-3个数量级。用于采用公式
Figure BDA0002830549270000061
计算器件的载流子迁移率。根据测试的结果，计算得到器件的载流子迁移率为1.36cm2V-1s-1，比PEDOT：PSS 500没有进行浓硫酸处理的器件(对比例1)迁移率高了2～3个数量级，迁移率提高的主要原因是PEDOT：PSS 500的电导率提高了2～3个数量级，测试的ID电流增大，导致计算的载流子迁移率增大。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，其特征在于，将PEDOT源漏电极进行酸处理，包括以下步骤：
采用喷墨打印技术制备PEDOT源漏电极，将PEDOT源漏电极加热处理，冷却后在PEDOT源漏电极表面加酸并静置一段时间，洗涤，干燥后热退火处理；
所述酸为硫酸、盐酸和硝酸中的至少一种。
2.根据权利要求1所述一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，其特征在于，所述酸为质量浓度为50～98％的浓硫酸酸、浓盐酸和浓硝酸中的至少一种。
3.根据权利要求1所述一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，其特征在于，所述静置的时间为5～15min。
4.根据权利要求1所述一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，其特征在于，所述加热处理的温度为80～200℃，时间为5～15min。
5.根据权利要求1所述一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，其特征在于，所述热退火处理的温度为80～200℃，时间为5～15min。
6.根据权利要求1所述一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，其特征在于，所述全有机薄膜晶体管器件的结构由下往上依次为：衬底、聚乙烯醇界面修饰层、PEDOT源漏电极、PDQT有源层、聚甲基丙烯酸甲酯绝缘层、聚乙烯醇界面修饰层和PEDOT栅极。
7.根据权利要求6所述一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，其特征在于，所述聚乙烯醇界面修饰层的厚度为40～100nm，PDQT有源层的厚度为40～100nm，聚甲基丙烯酸甲酯绝缘层的厚度为400～600nm，聚乙烯醇界面修饰层的厚度≤10nm；所述全有机薄膜晶体管器件的沟道长度为10μm，宽度为460μm。
8.根据权利要求6所述一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，其特征在于，所述PEDOT源漏电极和PEDOT栅极的材料均为导电聚合物PEDOT:PSS500。
9.根据权利要求6所述一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，其特征在于，所述聚乙烯醇界面修饰层、PDQT有源层、聚甲基丙烯酸甲酯绝缘层和聚乙烯醇界面修饰层均采用溶液旋涂的方法进行制备；所述栅极在大气环境下通过喷墨打印工艺制备。
10.根据权利要求6所述一种提高全有机薄膜晶体管器件迁移率的方法，其特征在于，所述衬底为透明玻璃。
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