KR20130014323A - Hybrid organic-inorganic thin film and producing method of the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An organic-inorganic hybrid thin film and a manufacturing method thereof are provided to form an expanded structure with a strong covalent bond, thereby securing not only an excellent thermo-stability and a mechanical stability but also a high carrier-mobility. CONSTITUTION: A manufacturing method of an organic-inorganic hybrid thin film includes a step of interlaying an inorganic cross-linking layer with a conjugate organic polymer through MLD(Molecular Layer Deposition). The manufacturing method includes a step of binding the inorganic cross-linking layer on a substrate inside an MLD chamber, and a step of polymerizing HDD(Hexadiyne Diol) coupled to the inorganic cross-linking layer on the substrate with UV(ultraviolet) treatment. A process cycle is implemented at least one time. The organic polymer includes polyacethylene or vinyl ether-aleimide. The inorganic cross-linking layer includes a metallic oxide selected from a group of Zn, Al, Ti, Zr, Sn, Mn, Fe, Ni, Mo, and combination thereof. The organic-inorganic hybrid thin film is two dimensional.

Description

유기-무기 혼성 박막 및 이의 제조 방법{HYBRID ORGANIC-INORGANIC THIN FILM AND PRODUCING METHOD OF THE SAME}HYBRID ORGANIC-INORGANIC THIN FILM AND PRODUCING METHOD OF THE SAME

본원은 분자층 증착법(molecular layer deposition; MLD)을 통하여 무기 가교층과 유기 폴리머를 층간 결합시키는 것을 포함하는 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법, 상기 제조 방법에 의해 제조된 유기-무기 혼성 박막 및 상기 유기-무기 혼성 박막을 포함하는 유기 전자 소자 및 박막 트랜지스터에 관한 것이다. The present application is a method for producing an organic-inorganic hybrid thin film comprising interlayer bonding an inorganic crosslinked layer and an organic polymer through molecular layer deposition (MLD), an organic-inorganic hybrid thin film produced by the manufacturing method and the An organic electronic device and a thin film transistor including an organic-inorganic hybrid thin film .

유기 전자 소자에서 사용되는 많은 물질들은 전자가 흐를 수 있는 교차되는 이중 및 단일 결합 골격을 갖는 공액 유기 폴리머이다. 이들의 구조적 유연성 및 가변 전자 특성에 의해, 전도성 폴리머는 플렉서블하고 저렴하며, 플렉서블 디스플레이, 무선 주파수 인식 장치(radio frequency identification devices; RFIDs), 스마트 카드, 비휘발성 메모리 및 센서와 같은 많은 분야에 적용시킬 수 있다. 이러한 폴리머는 1-차원 특성을 갖고 있으며, 공액 폴리머의 박막은 각 폴리머 가닥이 꼬이고 구부러진 무질서한 구조를 갖고 있다. 대부분의 적용 분야에서, 빛과 전자가 폴리머 분자에 의해 운송될 수 있는 효율을 조절하기 위해 폴리머 사슬을 균일하게 정렬하고자 하는 시도가 있어 왔다. 대한민국 등록 특허 제10-0957528호에서는 소량의 무기산화물 입자와 실리콘계 가교형 고분자 전구체를 이용하여 가교결합된 유기-무기 혼성 복합재료를 제조하는 방법에 대하여 기재하고 있다.Many materials used in organic electronic devices are conjugated organic polymers with crossed double and single bond backbones through which electrons can flow. Due to their structural flexibility and variable electronic properties, conductive polymers are flexible and inexpensive and can be applied to many applications such as flexible displays, radio frequency identification devices (RFIDs), smart cards, nonvolatile memories and sensors. Can be. These polymers have one-dimensional properties, and the thin film of conjugated polymer has a disordered structure in which each polymer strand is twisted and bent. In most applications, attempts have been made to uniformly align polymer chains to control the efficiency with which light and electrons can be transported by polymer molecules. Republic of Korea Patent No. 10-0957528 describes a method for producing a cross-linked organic-inorganic hybrid composite material using a small amount of inorganic oxide particles and a silicon-based cross-linked polymer precursor.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본원의 발명자들은, 공액 유기 폴리머 내로 안정한 무기 가교층을 혼입시킴으로써, 유기 폴리머 사슬의 배열, 안정성 및 전자 특성을 더 잘 제어할 수 있음을 발견하여, 본원을 완성하였다. In order to solve the above problems, the inventors of the present application have found that by incorporating a stable inorganic crosslinking layer into a conjugated organic polymer, the inventors have found that they can better control the arrangement, stability, and electronic properties of the organic polymer chains.

이에, 본원은 분자층 증착법(molecular layer deposition; MLD)을 통하여 무기 가교층과 유기 폴리머를 층간 결합시키는 것을 포함하는, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의해 제조된 유기-무기 혼성 박막을 제공하고자 한다. 또한, 본원은 상기 유기-무기 혼성 박막을 포함하는 유기 전자 소자 및 박막 트랜지스터를 제공하고자 한다.Accordingly, the present application includes a method for preparing an organic-inorganic hybrid thin film and an organic-inorganic hybrid prepared by the method, which include interlayer bonding an inorganic crosslinked layer and an organic polymer through molecular layer deposition (MLD). To provide a thin film. In addition, the present application is to provide an organic electronic device and a thin film transistor including the organic-inorganic hybrid thin film.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 제 1 측면은, 분자층 증착법(molecular layer deposition; MLD)을 통하여 무기 가교층과 유기 폴리머를 층간 결합시키는 것을 포함하는, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법을 제공한다.A first aspect of the present disclosure provides a method for preparing an organic-inorganic hybrid thin film, which comprises interlayer bonding an inorganic crosslinked layer and an organic polymer through molecular layer deposition (MLD).

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면에 의해 제조된 유기-무기 혼성 박막을 제공한다. A second aspect of the present disclosure provides an organic-inorganic hybrid thin film prepared by the first aspect of the present disclosure.

본원의 제 3 측면은, 본원의 제 2 측면에 따른 유기-무기 혼성 박막을 포함하는 유기 전자 소자를 제공한다.A third aspect of the present application provides an organic electronic device comprising an organic-inorganic hybrid thin film according to the second aspect of the present application.

본원의 제 4 측면은, 기질; 상기 기질 상에 형성된 본원의 제 2 측면에 따른 유기-무기 혼성 박막을 포함하는 반도체 채널; 및 상기 반도체 채널 상에 형성된 소스/드레인 전극을 포함하는, 박막 트랜지스터를 제공한다.A fourth aspect of the present disclosure, the substrate; A semiconductor channel comprising an organic-inorganic hybrid thin film according to the second aspect of the present application formed on said substrate; And a source / drain electrode formed on the semiconductor channel.

본원의 분자층 증착법(molecular layer deposition; MLD)을 통하여 무기 가교층과 유기 폴리머를 층간 결합시키는 것을 포함하는, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법에 의해 제조된 유기-무기 혼성 박막은 무기 가교층과 공액 유기 폴리머층이 결합하여 2차원의 유기-무기 혼성 박막을 형성할 수 있다. 본원의 유기-무기 혼성 박막의 무기층은 강한 공유결합에 의해 결합된 확장된 구조를 구성하여 우수한 열 안정성 및 역학적 안정성뿐만 아니라 높은 캐리어 이동성을 부여한다. 또한, 본원에서 사용된 분자층 증착법(MLD)은 저온에서 필름 두께의 정확한 제어, 대규모 균일성, 우수한 등각성(conformality), 우수한 재현성 및 예리한 인터페이스(sharp interface)를 가능하게 한다. 본원의 유기-무기 혼성 박막은 우수한 열적 안정성 및 기계적 안정성, 및 높은 전계 효과 이동도(>1.3 cm2V-1s)를 나타낸다. MLD 방법은 무기 가교층을 갖는 다양한 유기-무기 혼성 박막의 제조에 이상적인 기술이며, 또한 유기 폴리머-무기 하이브리드 초격자의 제조에도 적용할 수 있다.The organic-inorganic hybrid thin film prepared by the method for preparing an organic-inorganic hybrid thin film, which comprises intercalating an inorganic crosslinked layer and an organic polymer through molecular layer deposition (MLD) of the present application, may be formed of an inorganic crosslinked layer. The conjugated organic polymer layer may be combined to form a two-dimensional organic-inorganic hybrid thin film. The inorganic layer of the organic-inorganic hybrid thin film of the present disclosure constitutes an extended structure bonded by strong covalent bonds, giving high carrier mobility as well as excellent thermal stability and mechanical stability. In addition, molecular layer deposition (MLD), as used herein, enables precise control of film thickness, large scale uniformity, good conformality, good reproducibility, and sharp interface at low temperatures. The organic-inorganic hybrid thin films of the present disclosure exhibit excellent thermal and mechanical stability, and high field effect mobility (> 1.3 cm 2 V −1 s). The MLD method is an ideal technique for the production of various organic-inorganic hybrid thin films having an inorganic crosslinked layer, and can also be applied to the production of organic polymer-inorganic hybrid superlattices.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 분자층 증착법에 의해 무기 가교층과 유기 폴리머를 층간 결합시키는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 분자층 증착법에 의해 무기 가교층과 유기 폴리머를 층간 결합시키는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 있어서, DEZ 투입 시간의 함수(a) 및 HDD 투입 시간의 함수(b)로서 ZnOPDA 필름의 두께를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 있어서, ZnOPDA 필름의 TEM 이미지(a) ZnOPDA 필름의 두께 대 MLD 사이클 수의 관계를 나타낸 그래프(b) 및 AFM 이미지(c)를 나타낸 것이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 ZnOPDA 필름의 라만 스펙트럼(a) 및 XP 스펙트럼(b)을 나타낸 것이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 있어서, ZnOPDA 및 무기 가교층이 없는 PDA 필름의 광발광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7은 본원의 일 실시예예 있어서, 고-도핑된 Si 기질 상에 ZnOPDA 활성층을 갖는 TFT의 단면도이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 있어서, TFT의 드레인 전류-드레인 전압(I D-V D) 산출량 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 있어서, TFT의 드레인 전류-게이트 전압(I D-V G) 전이 곡선 및 게이트 누설 레벨을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른, TiOPDA 필름과 전구체의 적외선 분광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 11은 본원의 본원의 일 실시예에 따른, TiOPDA 필름과 전구체의 UV-VIS 분광 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른, TiOPDA 필름의 XPS 그래프를 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram showing a process of interlayer bonding an inorganic crosslinked layer and an organic polymer by a molecular layer deposition method according to an embodiment of the present application.
Figure 2 is a schematic diagram showing a process of interlayer bonding the inorganic cross-linking layer and the organic polymer by a molecular layer deposition method according to an embodiment of the present application.
3 is a graph showing the thickness of a ZnOPDA film as a function of DEZ input time (a) and a function of HDD input time (b) in one embodiment of the present application.
4 shows a graph (b) and an AFM image (c) showing the relationship between the thickness of the ZnOPDA film and the number of MLD cycles (a) in the TEM image (a) of the ZnOPDA film.
Figure 5 shows the Raman spectrum (a) and XP spectrum (b) of the ZnOPDA film according to an embodiment of the present application.
FIG. 6 shows a photoluminescence spectrum of a PDA film without ZnOPDA and an inorganic crosslinking layer in one embodiment of the present application.
7 is a cross-sectional view of a TFT having a ZnOPDA active layer on a high-doped Si substrate, in one embodiment of the present disclosure.
8 is a graph illustrating a drain current-drain voltage ( I D - V D ) output curve of a TFT according to an embodiment of the present disclosure.
FIG. 9 is a graph illustrating drain current-gate voltage I D - V G transition curves and gate leakage levels of a TFT according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
FIG. 10 shows infrared spectral spectra of TiOPDA films and precursors, in accordance with an embodiment of the present disclosure. FIG.
FIG. 11 shows UV-VIS spectroscopy spectra of TiOPDA films and precursors, in accordance with an example herein.
12 shows an XPS graph of a TiOPDA film, according to an embodiment of the present disclosure.

이하, 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments and examples of the present application will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다.It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments and examples described herein.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise. As used herein, the terms "about", "substantially", and the like, are used at, or in close proximity to, numerical values when manufacturing and material tolerances inherent in the meanings indicated are provided to aid the understanding herein. In order to prevent the unfair use of unscrupulous infringers. In addition, throughout this specification, "step to" or "step of" does not mean "step for."

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
Throughout this specification, when a member is located "on" another member, this includes not only when one member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.

본원의 제 1 측면은, 분자층 증착법(molecular layer deposition; MLD)을 통하여 무기 가교층과 유기 폴리머를 층간 결합시키는 것을 포함하는, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법을 제공한다. A first aspect of the present disclosure provides a method for preparing an organic-inorganic hybrid thin film, which comprises interlayer bonding an inorganic crosslinked layer and an organic polymer through molecular layer deposition (MLD).

본원 일 구현예에 따르면, 상기 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법은 MLD 챔버 내에서 기재 상에 무기 가교층을 결합시키고; 및 상기 기재 상에 결합된 상기 무기 가교층에 헥사디인 디올(hexadiyne diol; HDD)을 결합시킨 후 UV 처리하여 중합체화시키는 것을 포함하는 공정 사이클을 1회 이상 수행하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the method of preparing the organic-inorganic hybrid thin film may include: bonding an inorganic crosslinking layer on a substrate in an MLD chamber; And bonding hexadiyne diol (HDD) to the inorganic crosslinked layer bonded on the substrate. It may include, but is not limited to, performing one or more process cycles including UV treating and polymerizing.

상기 MLD는 원자층 증착법(atomic layer deposition; ALD)과 유사한, 가스-상 층상 성장 방법으로, 순차적인 포화 표면 반응에 의해 각 순서마다 유기 단층이 형성된다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 MLD를 사용하여 무기 가교층과 공액 유기 폴리머층을 결합하여 2D 폴리디아세틸렌을 형성할 수 있다. 무기층은 강한 공유결합에 의해 결합된 확장된 구조를 구성하여 우수한 열 안정성 및 역학적 안정성뿐만 아니라 높은 캐리어 이동성을 부여한다. MLD 기술의 장점은 저온에서의 필름 두께의 정확한 제어, 대규모의 균일성, 우수한 등각성(conformality), 우수한 재현성, 다층 프로세싱 능력, 예리한 인터페이스 및 저온에서의 우수한 필름 품질 등을 가능하게 한다는 것이다. 예를 들어, 2D 폴리디아세틸렌 박막은 UV 중합법에 의해 무기 가교층 및 헥사디인 디올(hexadiyne diol; HDD)의 리간드-교환 반응이 일어나 디올의 양 말단의 OH기가 무기 가교층과 순차적으로 반응하여 가교 알칸을 생성함으로써, 단층 정밀성(monolayer precision)이 있도록 구성될 수 있다. 무기 산화물 교차 결합 폴리디아세틸렌 박막은 그들의 2D 구조로 인해 증가된 캐리어 이동성 또는 그외 여러 특성들을 나타낸다.The MLD is a gas-phase layered growth method, similar to atomic layer deposition (ALD), in which organic monolayers are formed in each order by sequential saturated surface reactions. In one embodiment of the present application, the inorganic crosslinked layer and the conjugated organic polymer layer may be combined to form 2D polydiacetylene using the MLD. The inorganic layer constitutes an extended structure bonded by strong covalent bonds, giving high carrier mobility as well as excellent thermal and mechanical stability. The advantages of MLD technology are that it enables precise control of film thickness at low temperatures, large scale uniformity, good conformality, good reproducibility, multilayer processing capability, sharp interface and good film quality at low temperatures. For example, the 2D polydiacetylene thin film has a ligand-exchange reaction between the inorganic crosslinked layer and hexadiyne diol (HDD) by UV polymerization, so that OH groups at both ends of the diol react sequentially with the inorganic crosslinked layer. By generating cross-linked alkanes, it can be configured to have monolayer precision. Inorganic oxide cross-linked polydiacetylene thin films exhibit increased carrier mobility or other properties due to their 2D structure.

도 1 및 도 2를 참조로 하여, 본원의 일 구현예에 따른 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법을 설명한다.1 and 2, a method of manufacturing an organic-inorganic hybrid thin film according to one embodiment of the present application will be described.

도 1은 무기 가교층으로서 디에틸아연(diethylzincl DEZ)를 사용하여 아연 산화물 교차 결합 폴리디아세틸렌(zinc oxide cross-linked polydiacetylene; ZnOPDA) 박막을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것으로, MLD 챔버에서 DEZ 분자에 기재를 노출시켜 에틸 아연 단층을 형성한다. DEZ 분자는 리간드-교환 반응을 통해 히드록시기가 풍부한 기재 표면 상에 화합흡착되어 C2H5ZnO 종을 형성하게 된다. 그런 다음, 기재 상에 화학흡착된 에틸 아연 분자의 에틸기가 리빙 에탄(living ethane)을 갖는 HDD의 OH기로 치환되어 디아세틸렌층을 형성하고, 디아세틸렌층의 OH기는 다음 DEZ 분자의 교환 반응을 위한 활성 부위를 제공한다. 그런 다음, 디아세틸렌 분자는 UV 조사에 의해 중합체화되어 폴리디아세틸렌층을 형성한다. 아연 산화물 교차결합 폴리아세틸렌(ZnOPDA) 박막을 진공 하에서 DEZ 및 HDD의 흡착 및 UV 중합법을 순차적으로 반복하여 성장시킨다. ZnOPDA의 이상적인 모델 구조의 예상 단층 두께는 약 6Å이나, 이에 제한되는 것은 아니다.FIG. 1 schematically illustrates a process of preparing a zinc oxide cross-linked polydiacetylene (ZnOPDA) thin film using diethylzincl DEZ as an inorganic crosslinking layer. The substrate is exposed to form an ethyl zinc monolayer. DEZ molecules are covalently adsorbed on the surface of the hydroxyl-rich substrate via ligand-exchange reactions to form C 2 H 5 ZnO species. Then, the ethyl group of the chemisorbed ethyl zinc molecule on the substrate is substituted with the OH group of the HDD having living ethane to form a diacetylene layer, and the OH group of the diacetylene layer is used for the exchange reaction of the next DEZ molecule. Provide the active site. The diacetylene molecules are then polymerized by UV irradiation to form a polydiacetylene layer. A zinc oxide cross-linked polyacetylene (ZnOPDA) thin film is grown under vacuum by sequentially repeating adsorption and UV polymerization of DEZ and HDD. The expected monolayer thickness of ZnOPDA's ideal model structure is about 6 GPa, but is not limited thereto.

도 2는 무기 가교층으로서 TiCl4를 사용하여 티탄 산화물 교차 결합 폴리디아세틸렌(titanium oxide cross-linked polydiacetylene; TiOPDA) 박막을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것으로, MLD 챔버에서 TiCl4 분자에 기재를 노출시켜 이염화 티탄 옥사이드 단층을 형성한다. TiCl4 분자는 리간드-교환 반응을 통해 히드록시기가 풍부한 기재 표면 상에 화합흡착된다. 그런 다음, 기재 상에 화학흡착된 이염화 티탄 분자의 염소기가 리빙 에탄(living ethane)을 갖는 HDD의 OH기로 치환되어 디아세틸렌층을 형성하고, 디아세틸렌층의 OH기는 다음 TiCl4 분자의 교환 반응을 위한 활성 부위를 제공한다. 그런 다음, 디아세틸렌 분자는 UV 조사에 의해 중합체화되어 폴리디아세틸렌층을 형성한다. 티탄 산화물 교차결합 폴리아세틸렌(TiOPDA) 박막을 진공 하에서 TiCl4 및 HDD의 흡착 및 UV 중합법을 순차적으로 반복하여 성장시킨다.FIG. 2 schematically shows a process for preparing a titanium oxide cross-linked polydiacetylene (TiOPDA) thin film using TiCl 4 as an inorganic crosslinking layer, exposing a substrate to TiCl 4 molecules in an MLD chamber. To form a titanium dichloride monolayer. TiCl 4 molecules are adsorbed onto the surface of the hydroxy group rich substrate via a ligand-exchange reaction. Then, the chlorine group of the titanium dichloride molecule chemisorbed on the substrate is substituted with the OH group of the HDD having living ethane to form a diacetylene layer, and the OH group of the diacetylene layer exchanges the following TiCl 4 molecules It provides an active site for. The diacetylene molecules are then polymerized by UV irradiation to form a polydiacetylene layer. Titanium oxide cross-linked polyacetylene (TiOPDA) thin film is grown under vacuum by sequentially repeating adsorption and UV polymerization of TiCl 4 and HDD.

본원 일 구현예에 따르면, 상기 유기 폴리머는 중합을 시작하기 위한 개시제(initiator)을 갖지 않는 개시제-프리(free)한 광중합성 고분자라면 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 폴리디아세틸렌 또는 비닐 에테르-알레이미드(vinyl ether-aleimide)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present application, the organic polymer may be used without limitation as long as it is an initiator-free photopolymerizable polymer that does not have an initiator for initiating polymerization, for example, polydiacetylene or vinyl ether. It may be, but is not limited to, vinyl ether-aleimide.

본원 일 구현예에 따르면, 상기 무기 가교층은 Zn, Al, Ti, Zr, Sn, Mn, Fe, Ni, Mo, 및 이들의 조합들로 이루어진 군 중에서 선택된 금속의 산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 무기 가교층은 하이브리드 유기-무기 구조 물질을 형성하여 유기 폴리머 사슬의 배열, 안정성 및 전자 특성을 더 잘 제어할 수 있도록 한다. 무기 성분의 안정하고 우수한 전기 특성에 유기 성분의 구조적 유연성 및 가변 광전자 특성이 더해져, 유기-무기 혼성 전도성 폴리머는 유기 전자 소자에 사용하기에 이상적인 물질이 될 수 있다.According to one embodiment of the present application, the inorganic crosslinked layer may include an oxide of a metal selected from the group consisting of Zn, Al, Ti, Zr, Sn, Mn, Fe, Ni, Mo, and combinations thereof, It is not limited to this. The inorganic crosslinked layer forms a hybrid organic-inorganic structural material, allowing better control of the arrangement, stability and electronic properties of the organic polymer chains. The stable and excellent electrical properties of the inorganic components plus the structural flexibility and variable optoelectronic properties of the organic components make the organic-inorganic hybrid conductive polymers an ideal material for use in organic electronic devices.

본원 일 구현예에 따르면, 상기 유기-무기 혼성 박막은 2차원인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to one embodiment of the present application, the organic-inorganic hybrid thin film may be two-dimensional, but is not limited thereto.

본원 일 구현예에 따르면, 상기 헥사디인 디올(HDD)이 상기 기재 상에 결합된 상기 무기 가교층에 결합 시, 자기-종결(self-terminating) 반응하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 MLD 에서, 균일하고 등각성이 있으며 고-품질인 폴리디아세틸렌 박막을 제조하기 위해서는, HDD의 표면 반응이 자기-종결(self-terminating)되고 상보적인 것이 바람직하다According to the exemplary embodiment of the present invention, when the hexadiin diol (HDD) is bound to the inorganic crosslinked layer bonded on the substrate, it may include self-terminating reaction, but is not limited thereto. It is not. In the MLD, in order to produce a uniform, conformal and high-quality polydiacetylene thin film, it is preferable that the surface reaction of the HDD is self-terminating and complementary.

본원 일 구현예에 따르면, 상기 기재 상에 상기 무기 가교층을 결합시킨 후 퍼징시키는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to one embodiment of the present disclosure, the inorganic crosslinking layer may be bonded on the substrate and then purged, but the present invention is not limited thereto.

본원 일 구현예에 따르면, 상기 기재 상에 결합된 상기 무기 가교층에 헥사디인 디올(HDD)를 결합시킨 후 퍼징시키는 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. According to the exemplary embodiment of the present invention, the method may further include purging the hexadiin diol (HDD) to the inorganic crosslinked layer bonded on the substrate, but is not limited thereto.

본원 일 구현예에 따르면, 퍼지 가스로서 아르곤(Ar), 질소(N2), 헬륨(He) 등을 사용하여 퍼징시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to the exemplary embodiment of the present application, the purge gas may be purged using argon (Ar), nitrogen (N 2 ), helium (He), and the like, but is not limited thereto.

본원의 제 2 측면은, 본원의 제 1 측면의 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법에 의해 제조된, 유기-무기 혼성 박막을 제공한다. The second aspect of the present application provides an organic-inorganic hybrid thin film prepared by the method for producing an organic-inorganic hybrid thin film of the first aspect of the present application.

본원 일 구현예에 따르면, 상기 유기-무기 혼성 박막은 2차원일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to one embodiment of the present invention, the organic-inorganic hybrid thin film may be two-dimensional, but is not limited thereto.

본원의 제 3 측면은, 본원의 제 2 측면에 따른 유기-무기 혼성 박막을 포함하는 유기 전자 소자를 제공한다.
A third aspect of the present application provides an organic electronic device comprising an organic-inorganic hybrid thin film according to the second aspect of the present application.

본원의 제 4 측면은, 기질; 상기 기질 상에 형성된 본원의 제 2 측면에 따른 유기-무기 혼성 박막을 포함하는 반도체 채널; 및 상기 반도체 채널 상에 형성된 소스/드레인 전극을 포함하는, 박막 트랜지스터를 제공한다.A fourth aspect of the present disclosure, the substrate; A semiconductor channel comprising an organic-inorganic hybrid thin film according to the second aspect of the present application formed on said substrate; And a source / drain electrode formed on the semiconductor channel.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 박막 트랜지스터가 약 1.2 cm2V-1s 내지 약 1.7 cm2V-1s의 전계 효과 이동도를 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the thin film transistor may have a field effect mobility of about 1.2 cm 2 V −1 s to about 1.7 cm 2 V −1 s, but is not limited thereto.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 자세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present application will be described in detail using examples. However, the present application is not limited thereto.

[[ 실시예Example ]]

물질matter

따로 언급하지 않는 한 모든 시판물질은 Aldrich Chemical Co. 에서 구입하였으며 추가 정제 없이 사용하였다. 2,4-헥사디인-1,6-디올(2,4-Hexadiyne-1,6-diol; HDD)은 Tokyo Chemical Industry에서 구입하여 사용하였다. 탈이온수는 Millipore Milli Q 플러스 시스템을 사용하여 정제하고, KMnO4 상에서 증류시킨 후, Millipore Simplicity 시스템을 통해 통과시켰다.
Unless otherwise noted, all commercially available materials are listed in Aldrich Chemical Co. It was purchased from and used without further purification. 2,4-hexadiyne-1,6-diol (2,4-Hexadiyne-1,6-diol; HDD) was purchased from Tokyo Chemical Industry. Deionized water was purified using the Millipore Milli Q Plus system, distilled over KMnO 4 and passed through the Millipore Simplicity system.

실시예Example 1 One

기질의 제조Preparation of Substrate

Si 기질은 1-5 Ωm 범위의 저항률을 갖는 p-유형 (100) 웨이퍼 (LG Siltron)를 절단하여 제조하였다. Si 기질을 Ishizaka 및 Shiraki(A. Ishizaka, Y. Shiraki, J. Electrochem. Soc. 1986, 133, 666-671)에 의해 제안된 화학 클리닝 과정에 의해 처리하였으며, 상기 화학 클리닝 과정은 드레싱, HNO3에서의 가열, HNO3/H2O에서의 가열(알카리 처리), HCl에서의 가열(산 처리), 탈이온수로 세척 및 질소로 송풍-건조시켜 오염물을 제거하고 표면 상에 얇은 보호 산화층을 성장시키는 것을 포함한다.
Si substrates were prepared by cutting p-type (100) wafers (LG Siltron) having a resistivity in the range of 1-5 Ωm. Si substrates were treated by a chemical cleaning procedure proposed by Ishizaka and Shiraki (A. Ishizaka, Y. Shiraki, J. Electrochem. Soc. 1986, 133, 666-671), which process was performed by dressing, HNO 3 Heating in HNO 3 / H 2 O (alkali treatment), heating in HCl (acid treatment), washing with deionized water and blowing-drying with nitrogen to remove contaminants and grow a thin protective oxide layer on the surface It involves making.

분자층Molecular layer 증착 deposition

산화된 Si(100) 기질을 Cyclic 4000 MLD system (Genitech, Taejon, Korea)으로 도입시켰다. 전구체로서 DEZ 및 HDD를 사용하여 아연 산화물 교차-결합 폴리디아세틸렌(ZnOPDA) 박막을 상기 기질 상에 증착시켰다. 캐리어 가스 및 퍼지 가스 둘 다로서 아르곤을 공급하였다. DEZ 및 HDD를 각각 20℃ 및 80℃에서 증발시켰다. 사이클은 2 초간 DEZ에 노출시키고, 10 초간 Ar로 퍼징시키고, 10 초간 HDD에 노출시키고, 50 초간 Ar로 퍼징시키는 것으로 이루어졌다. Ar의 총 유량은 50 sccm이었다. 증착된 HDD 층을 30초 동안 UV광 (λ=254 nm, 100 W)에 노출시켰다. ZnOPDA 필름을 300 mTorr의 압력 하에서 약 100℃ 내지 약 150℃의 온도에서 성장시켰다.
The oxidized Si (100) substrate was introduced into Cyclic 4000 MLD system (Genitech, Taejon, Korea). Zinc oxide cross-linked polydiacetylene (ZnOPDA) thin films were deposited on the substrate using DEZ and HDD as precursors. Argon was fed as both the carrier gas and the purge gas. DEZ and HDD were evaporated at 20 ° C. and 80 ° C., respectively. The cycle consisted of exposing to DEZ for 2 seconds, purging with Ar for 10 seconds, exposing to HDD for 10 seconds, and purging with Ar for 50 seconds. The total flow rate of Ar was 50 sccm. The deposited HDD layer was exposed to UV light (λ = 254 nm, 100 W) for 30 seconds. ZnOPDA films were grown at a temperature of about 100 ° C. to about 150 ° C. under a pressure of 300 mTorr.

실시예Example 2 2

기질의 제조Preparation of Substrate

Si 기질은 1-5 Ωm 범위의 저항률을 갖는 p-유형 (100) 웨이퍼 (LG Siltron)를 절단하여 제조하였다. Si 기질을 Ishizaka 및 Shiraki(A. Ishizaka, Y. Shiraki, J. Electrochem. Soc. 1986, 133, 666-671)에 의해 제안된 화학 클리닝 과정에 의해 처리하였으며, 상기 화학 클리닝 과정은 드레싱, HNO3에서의 가열, HNO3/H2O에서의 가열(알카리 처리), HCl에서의 가열(산 처리), 탈이온수로 세척 및 질소로 송풍-건조시켜 오염물을 제거하고 표면 상에 얇은 보호 산화층을 성장시키는 것을 포함한다.
Si substrates were prepared by cutting p-type (100) wafers (LG Siltron) having a resistivity in the range of 1-5 Ωm. Si substrates were treated by a chemical cleaning procedure proposed by Ishizaka and Shiraki (A. Ishizaka, Y. Shiraki, J. Electrochem. Soc. 1986, 133, 666-671), which process was performed by dressing, HNO 3 Heating in HNO 3 / H 2 O (alkali treatment), heating in HCl (acid treatment), washing with deionized water and blowing-drying with nitrogen to remove contaminants and grow a thin protective oxide layer on the surface It involves making.

분자층Molecular layer 증착 deposition

산화된 Si(100) 기질을 Cyclic 4000 MLD system (Genitech, Taejon, Korea)으로 도입시켰다. 전구체로서 TiCl4 및 HDD를 사용하여 아연 산화물 교차-결합 폴리디아세틸렌(TiOPDA) 박막을 상기 기질 상에 증착시켰다. 캐리어 가스 및 퍼지 가스 둘 다로서 아르곤을 공급하였다. TiCl4 및 HDD를 각각 20℃ 및 80℃에서 증발시켰다. 사이클은 2 초간 TiCl4에 노출시키고, 10 초간 Ar로 퍼징시키고, 10 초간 HDD에 노출시키고, 50 초간 Ar로 퍼징시키는 것으로 이루어졌다. Ar의 총 유량은 50 sccm이었다. 증착된 HDD 층을 30초 동안 UV광 (λ=254 nm, 100 W)에 노출시켰다. TiOPDA 필름을 300 mTorr의 압력 하에서 약 100℃ 내지 약 150℃의 온도에서 성장시켰다.
The oxidized Si (100) substrate was introduced into Cyclic 4000 MLD system (Genitech, Taejon, Korea). Zinc oxide cross-linked polydiacetylene (TiOPDA) thin films were deposited on the substrate using TiCl 4 and HDD as precursors. Argon was fed as both the carrier gas and the purge gas. TiCl 4 and HDD were evaporated at 20 ° C. and 80 ° C., respectively. The cycle consisted of exposing to TiCl 4 for 2 seconds, purging with Ar for 10 seconds, exposing to HDD for 10 seconds, and purging with Ar for 50 seconds. The total flow rate of Ar was 50 sccm. The deposited HDD layer was exposed to UV light (λ = 254 nm, 100 W) for 30 seconds. The TiOPDA film was grown at a temperature of about 100 ° C. to about 150 ° C. under a pressure of 300 mTorr.

실험예Experimental Example 1 One

실시예Example 1의  1 of ZnOPDAZnOPDA 필름의 특성 조사 Investigate the properties of the film

내장 현미경(Olympus BH2-UMA)이 구비된 라만 분광 시스템 (Renishaw Model 2000)을 사용하여 상기 실시예 1에서와 같이 제조된 ZnOPDA 필름의 라만 스펙트럼을 수득하였다. 20 mW 공기-냉각 Ar+ 레이저 (Melles-Griot Model 351mA520)로부터의 514.5 nm 라인을 여기 소스로서 사용하였다. Peltier-냉각 (-70℃) 전하-결합 소자(charge-coupled device; CCD) 카메라를 사용하여 180° 지오메트리(geometry)로 라만 산란을 검출하였다. 520 cm- 1 에서 실리콘 웨이퍼의 라만 밴드를 분광기를 조정하는데 사용하였다. 모든 XP 스펙트럼은 15 kV 및 70 W에서 작동하는 AlKa 소스를 사용하여 ThermoVG SIGMA PROBE 분광기에 기록하였다. 결합 에너지 규모는 주요 C 1s 피크에서 285 eV로 조정하였다. 각 샘플을 전자 분석기에 대하여 90°에서 분석하였다. 폴리머 필름의 두께를 타원계측기(AutoEL-II, Rudolph Research) 및 투과 전자 현미경(TEM; JEM2100F, JEOL)으로 측정하였다. TFT의 전류-전압 곡선을 반도체 파라미터 분석기 (HP4155C, Agilent Technologies)로 측정하였다. 광학 특성을 분광기(Darsa, PSI Co. Ltd.)와 함께 He-Cd 레이저 (325 nm)를 사용하여 광발광(PL) 분광법으로 측정하였다.
Raman spectra of ZnOPDA films prepared as in Example 1 were obtained using a Raman spectroscopy system (Renishaw Model 2000) equipped with a built-in microscope (Olympus BH2-UMA). A 514.5 nm line from a 20 mW air-cooled Ar + laser (Melles-Griot Model 351mA520) was used as the excitation source. Raman scattering was detected with 180 ° geometry using a Peltier-cooled (-70 ° C.) charge-coupled device (CCD) camera. 520 cm - the Raman bands of the silicon wafer in the first was used to adjust the spectrometer. All XP spectra were recorded on a ThermoVG SIGMA PROBE spectrometer using an Al Ka source operating at 15 kV and 70 W. The binding energy scale was adjusted to 285 eV at the main C 1s peak. Each sample was analyzed at 90 ° against an electronic analyzer. The thickness of the polymer film was measured by an ellipsometer (AutoEL-II, Rudolph Research) and transmission electron microscope (TEM; JEM2100F, JEOL). The current-voltage curve of the TFT was measured with a semiconductor parameter analyzer (HP4155C, Agilent Technologies). Optical properties were measured by photoluminescence (PL) spectroscopy using a He-Cd laser (325 nm) with a spectrometer (Darsa, PSI Co. Ltd.).

결과result

정확한 MLD 과정에서, 균일하고 등각성이 있으며 고-품질인 폴리디아세틸렌 박막을 제조하기 위해서는 표면 반응이 자기-종결(self-terminating)되고 상보적이어야 한다. HDD에 대한 표면 반응이 실제로 자기-종결되는지를 확인하기 위해, 투입 시간(dosing time)을 1초 내지 20초로 다양하게 변경하였다. ZnO-PDA 필름의 성장률을 약 100℃ 내지 150℃ 범위의 성장 온도에서 타원계측기(ellipsometer)를 사용하여 측정하였다. HDD에 대한 사이클 당 수득된 막 두께는 투입 시간이 10 초를 초과했을 때 포화되었다 (도 3b). 이 결과는 HDD가 Si 기재 상에 흡착된 DEZ와 자기-종결 반응을 하였음을 나타낸다. 도 3a는 펄스 시간이 0.5 초를 초과했을 때 DEZ 투입 시간의 함수로서의 성장률이 빠르게 포화되는 것을 보여준다. 이러한 결과는 DEZ가 기판 상에 흡착된 HDD와 신속한 자기-종결 반응을 하였음을 나타내는 것이다. 모든 자기-종결 성장 실험은 100 사이클 이상 수행하였다. 포화 데이터는 DEZ 및 HDD가 표면 상의 활성 부위와 완전히 반응하며 전구체가 과량으로 존재하더라도 포화 후에 반응이 지속되지 않음을 나타낸다.In an accurate MLD process, surface reactions must be self-terminating and complementary to produce uniform, conformal and high-quality polydiacetylene thin films. In order to confirm that the surface response to the HDD is actually self-terminating, the dosing time was varied from 1 second to 20 seconds. The growth rate of the ZnO-PDA film was measured using an ellipsometer at a growth temperature in the range of about 100 ° C to 150 ° C. The film thickness obtained per cycle for the HDD was saturated when the dosing time exceeded 10 seconds (FIG. 3B). This result indicates that the HDD had a self-termination reaction with DEZ adsorbed on the Si substrate. 3A shows that the growth rate rapidly saturates as a function of DEZ dosing time when the pulse time exceeds 0.5 seconds. These results indicate that DEZ had a rapid self-termination reaction with the HDD adsorbed on the substrate. All self-terminated growth experiments were performed at least 100 cycles. Saturation data indicate that DEZ and HDD are fully reactive with active sites on the surface and that the reaction does not persist after saturation, even in the presence of excess precursors.

MLD 사이클 수의 함수로서 ZnOPDA 박막의 두께는 횡단 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy; TEM)을 사용하여 측정하였다 (도 4a). TiO2는 색깔 표시를 위해 첨가된 것이다.The thickness of the ZnOPDA thin film as a function of the number of MLD cycles was measured using transmission electron microscopy (TEM) (FIG. 4A). TiO 2 is added for color display.

이러한 TEM 이미지는 ZnOPDA 필름의 단층 두께 및 MLD 성장률의 예상을 확인해 주었다. 도 4b는 폴리디아세틸렌 두께가 사이클 수가 증가함에 따라 거의 선형으로 증가함을 나타내는데, 이는 MLD 과정에서 표면 작용이 상보적이고 완전히 이루어졌음을 나타내는 것이다. 측정된 성장률은 사이클 당 약 5.2Å이며, 이는 타원계측기 결과와 일치하였다. TEM 이미지는 또한 ZnOPDA 필름이 무정형이고 ZnO 나노결정을 갖고 있지 않음을 보여주었다. ZnOPDA 필름의 AFM 이미지는 매우 매끈하고 균일한 표면을 보여주며 표면의 제곱 평균 제곱근(root mean square; RMS) 거칠기는 2.5 Å정도로 낮았다 (도 4c). 이는 초기 세척된 Si 기질의 표면 거칠기가 약 2.1 Å인 것과 비교된다. 사이클 수에 관계없이, ZnOPDA 필름의 표면은 초기 세척된 Si 기질과 같이 매끄러우며, 이는 MLD 성장이 층상 성장을 통해 2D 방식(fashion)으로 성장했으며, 기판 전면적에 고르게 도핑되었음을 나타내는 것이다. 이러한 결과는 2D 폴리디아세틸렌의 MLD가 자기-제한되고 층상 성장에 의해 진행되며, MLD 조건이 약 100℃ 내지 약 150℃의 온도에서 완전 반응하기에 충분함을 시사한다. These TEM images confirmed the prediction of monolayer thickness and MLD growth rate of ZnOPDA film. Figure 4b shows that the polydiacetylenes thickness increases almost linearly with increasing number of cycles, indicating that the surface action in the MLD process is complementary and complete. The growth rate measured is about 5.2 ms per cycle, which is consistent with the ellipsometer results. TEM images also showed that the ZnOPDA film was amorphous and did not have ZnO nanocrystals. The AFM image of the ZnOPDA film showed a very smooth and uniform surface and the root mean square (RMS) roughness of the surface was as low as 2.5 kHz (FIG. 4C). This is compared to the surface roughness of the initially washed Si substrate about 2.1 kPa. Regardless of the number of cycles, the surface of the ZnOPDA film was as smooth as the initially washed Si substrate, indicating that MLD growth was grown in a 2D fashion through layered growth and evenly doped across the substrate. These results suggest that the MLD of 2D polydiacetylene is self-limiting and progresses by laminar growth, and that the MLD conditions are sufficient to fully react at temperatures of about 100 ° C to about 150 ° C.

ZnOPDA 필름의 온도 안정성을 TEM을 사용하여 확인하였다. ZnOPDA 필름은 약 400℃의 온도까지의 공기에서 안정하였다. 이러한 결과는, TEM 제조 과정에서 살아남은 2D 폴리디아세틸렌의 안정성과 함께, 폴리디아세틸렌이 아연 산화물 가교층에 의해 공유결합됨을 확인하여 준다.The temperature stability of the ZnOPDA film was confirmed using TEM. ZnOPDA films were stable in air up to a temperature of about 400 ° C. This result confirms that the polydiacetylene is covalently bonded by the zinc oxide crosslinking layer with the stability of the 2D polydiacetylene surviving in the TEM manufacturing process.

표면-증강 라만 산란(surface-enhanced Raman scattering; SERS) 분광법을 디아세틸렌 박막의 광중합을 확인하기 위해 실행하였다. 100 nm 두께의 Ag 필름을 진공 증발기를 사용하여 Si (100) 기질 상에 증착시켰다. 2 nm 두께의 2D 폴리디아세틸렌 필름을 Ag 필름 상에 성장시켰다. 60 nm 지름의 Ag 나노입자를 주위 조건 하에서 폴리디아세틸렌 표면에 적하시켰다. 도 5a는 Ag 나노입자와 Ag 필름 사이에 위치한 ZnOPDA 필름에 대한 대표 SERS 스펙트럼을 나타낸 것이다. 3개의 라만 밴드가 ν1=2127 cm-1, ν2=1525 cm-1, 및 ν3=1060 cm-1에서 분명히 나타났으며, 이는 폴리디에틸렌 단층에 대해 이미 관찰된 라만 데이터와 상당히 일치하였다. 2917 cm-1 에서의 좁은 밴드는 C-H 진동에 의한 것이다. 1590 및 1360 cm-1 주위의 현저하고 넓은 밴드는 여기 레이저의 조사에 의해 관찰된 것과 유사하며, 이는 폴리디아세틸렌으로부터 그래파이트, 무정형 카본을 포함하는 카본 물질로 전환된 결과인 것으로 해석된다. SERS 결과는 필름의 디아세틸렌 분자가 UV 조사에 의해 중합되었음을 나타내는 것으로, 일반적으로 알려진 디아세틸렌의 광중합과 일치하는 결과이다. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy was performed to confirm the photopolymerization of the diacetylene thin film. 100 nm thick Ag film was deposited on a Si (100) substrate using a vacuum evaporator. A 2 nm thick 2D polydiacetylene film was grown on Ag film. Ag nanoparticles of 60 nm diameter were dropped on the polydiacetylene surface under ambient conditions. 5A shows representative SERS spectra for ZnOPDA films located between Ag nanoparticles and Ag films. Three Raman bands were evident at ν 1 = 2127 cm- 1 , ν 2 = 1525 cm -1 , and ν 3 = 1060 cm -1 , which is quite consistent with the Raman data already observed for polydiethylene monolayers. It was. The narrow band at 2917 cm −1 is due to CH vibration. The remarkable and broad bands around 1590 and 1360 cm −1 are similar to those observed by irradiation with an excitation laser, which is interpreted as the result of conversion from polydiacetylene to a carbon material comprising graphite, amorphous carbon. The SERS results indicate that the diacetylene molecules of the film were polymerized by UV irradiation, which is consistent with the known photopolymerization of diacetylene.

X-선 광전자(X-ray photoelectron; XP) 분광 연구를 상기 MLD 과정에 의해 성장된 ZnOPDA 박막의 조성을 측정하기 위해 실시하였다. 도 5b는 Si 기질 상에 성장된 100 nm 두께의 폴리디아세틸렌 박막의 조사 스펙트럼을 나타낸 것이다. XP 스펙트럼은 오직 아연, 산소 및 탄소에 대한 광전자 및 오제 전자(Auger electron) 피크를 나타낸 것이다. 이러한 원소에 대한 피크 영역 비율은 1:3.2:5.8 (Zn:O:C)으로, 이는 원소 감도 인자에 의해 보정된 것이다. 비교를 위한, 2D 폴리디아세틸렌의 모델 구조(도 1)의 예상 비율은 1:2:6이었다. 이와 같이, 본원의 Zn: O : C 의 비율인 1:3.2:5.8은 이상적인 Zn: O : C 비율과 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 더 높은 산소 원자 백분율은 ZnOPDA 필름으로의 H2O의 흡착에 의한 것으로 설명될 수 있다. 물은 필름의 표면에 대부분 존재하는데, 이는 O 1s 피크가 Ar 이온 스퍼터링 후에 다른 피크에 비해 상당히 감소하기 때문이다.X-ray photoelectron (XP) spectroscopic studies were conducted to determine the composition of ZnOPDA thin films grown by the MLD process. Figure 5b shows the irradiation spectrum of a 100 nm thick polydiacetylene thin film grown on a Si substrate. XP spectra show optoelectronic and Auger electron peaks for only zinc, oxygen and carbon. The peak area ratio for this element is 1: 3.2: 5.8 (Zn: O: C), which is corrected by the element sensitivity factor. For comparison, the expected ratio of the model structure of 2D polydiacetylene (FIG. 1) was 1: 2: 6. As such, the ratio of Zn: O: C of the present application 1: 3.2: 5.8 was found to be very similar to the ideal Zn: O: C ratio. The higher oxygen atom percentage can be explained by the adsorption of H 2 O onto the ZnOPDA film. Water is mostly present on the surface of the film because the O 1s peak is significantly reduced compared to other peaks after Ar ion sputtering.

ZnOPDA 박막의 광발광(photoluminescence; PL) 스펙트럼은 도 6에 나타낸 바와 같다. PL 스펙트럼을 위해, Si 기재 상에 증착된 100 nm 두께의 폴리디아세틸렌 필름을 여기 소스로서 He-Cd 레이저 (λ=325 nm)로 조사하였다. 도 6에서 500 nm 주위의 넓은 피크를 확인할 수 있었다. PL 스펙트럼은 전자발광을 포함하는 광학 소자에서 ZnOPDA 필름을 사용할 수 있는 가능성을 보여준다. 비교를 위해, 무기 가교층을 사용하지 않은 폴리디아세틸렌(PDA) 박막 역시 2,4-헥사디인-1,6-디올(2,4-hexadiyne-1,6-diol; HDD)의 메탄올 용액으로 제조하였다. 메탄올에 용해된 6 mM HDD를 1000 rpm에서 1분 동안 Si 기질 상에 스핀 코팅한 후, 기질을 UV광에 10분간 노출시켜 100 nm 두께의 PDA 필름을 형성하였다. 결과적으로 제조된 필름의 스펙트럼은 ZnOPDA와 매우 유사하나, 장파장을 향하여 약간 이동되었다 (도 6). 이와 같이, 본원의 유기-무기 혼성 박막 제조 방법에 의해 제조된 ZnOPDA 필름이 폴리디아세틸렌과 거의 유사한 광발광 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다.The photoluminescence (PL) spectrum of the ZnOPDA thin film is shown in FIG. 6. For PL spectra, a 100 nm thick polydiacetylene film deposited on a Si substrate was irradiated with a He-Cd laser (λ = 325 nm) as the excitation source. In Figure 6 it can be seen a broad peak around 500 nm. The PL spectrum shows the possibility of using ZnOPDA films in optical devices that include electroluminescence. For comparison, a polydiacetylene (PDA) thin film without the use of an inorganic crosslinked layer is also a methanol solution of 2,4-hexadiyne-1,6-diol (2,4-hexadiyne-1,6-diol; HDD) It was prepared by. 6 mM HDD dissolved in methanol was spin coated on the Si substrate for 1 minute at 1000 rpm, and then the substrate was exposed to UV light for 10 minutes to form a 100 nm thick PDA film. The spectrum of the resulting film is very similar to ZnOPDA but slightly shifted towards long wavelengths (FIG. 6). As such, it was confirmed that the ZnOPDA film produced by the organic-inorganic hybrid thin film manufacturing method of the present disclosure showed a photoluminescence result similar to that of polydiacetylene.

2D 폴리디아세틸렌 박막의 전기적 특성을 조사하기 위해, 활성층으로서 ZnOPDA 필름을 적용시킨 박막 트랜지스터(thin film transistor; TFT)를 제조하였다. TFT는 도 7에서 나타내는 소자에서 볼 수 있는 바와 같이 100℃에서 100 nm 두께의 SiO2/n+-Si 기질 상에서 성장된 ZnO-PDA 반도체 채널을 갖는다. 패터닝된 Al 소스/드레인 전극을 쉐도우 마스크를 사용하여 ZnOPDA 필름 상에 진공-증착시켰다. 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 통상적인 산출량(드레인 전류 대 드레인 전압: I D-V D) 곡선이 ZnOPDA TFT로부터 얻어졌다. 데이터는 ZnOPDA가 n-유형 반도체로서 작용함을 나타낸다. 최대 I D 수준이 100 V 게이트 바이어스(gate bias) 하에서 약 40 μA이었다. 도 9에서 볼 수 있는 전이 특성(I D-V G)에 따르면, 1.3 cm2V-1s 이상의 높은 전계 효과 전자 이동도가 106 이상의 온/오프 비율 및 45 V의 문턱 전압(threshold voltage)에 따라 V D=100 V의 포화 상태에서 달성되었다. 게이트 누설 전류 (leakage current; I G)는 10-10 A 이하였다. 상기 전자 이동도는 폴리디아세틸렌-기저 TFT 중 가장 높은 것이다. 이러한 ZnOPDA TFT는 플렉서블 전자 소자의 작동 속도를 증가시킬 수 있다. 가교층 없이 30 nm 두께의 PDA를 갖는 TFT를 제조하였으며, 이는 ZnOPDA 필름에 비해 상당히 낮은 전계-효과 이동도(<10-8 cm2V-1s) 를 나타내었다.
In order to investigate the electrical properties of the 2D polydiacetylene thin film, a thin film transistor (TFT) was fabricated by applying a ZnOPDA film as an active layer. The TFT has a ZnO-PDA semiconductor channel grown on a 100 nm thick SiO 2 / n + -Si substrate at 100 ° C. as seen in the device shown in FIG. 7. Patterned Al source / drain electrodes were vacuum-deposited on ZnOPDA film using a shadow mask. As can be seen in FIG. 8, a typical output (drain current vs. drain voltage: I D - V D ) curve was obtained from the ZnOPDA TFT. The data indicate that ZnOPDA acts as an n-type semiconductor. Maximum I D level was about 40 μA under 100 V gate bias. According to the transition characteristics ( I D - V G ) which can be seen in FIG. 9, the high field effect electron mobility of 1.3 cm 2 V -1 s or more has an on / off ratio of 10 6 or more and a threshold voltage of 45 V. In saturation at V D = 100 V. The gate leakage current ( I G ) was less than 10 -10 A. The electron mobility is the highest among polydiacetylene-based TFTs. Such a ZnOPDA TFT can increase the operating speed of the flexible electronic device. A TFT with a 30 nm thick PDA was prepared without the crosslinking layer, which exhibited significantly lower field-effect mobility (<10 −8 cm 2 V −1 s) compared to ZnOPDA films.

결과적으로, MLD를 사용하여 무기 가교층을 갖는 이차원 폴리디아세틸렌을 개발하였다. MLD 과정은 저온에서 필름 두께의 정확한 제어, 대규모 균일성, 우수한 등각성(conformality), 우수한 재현성 및 예리한 인터페이스(sharp interface)를 가능하게 한다. 제조된 ZnOPDA 필름은 우수한 열적 안정성 및 기계적 안정성, 및 높은 전계 효과 이동도(>1.3 cm2V-1s)를 나타내었다. MLD 방법은 무기 가교층을 갖는 다양한 2D 유기 폴리머 박막의 제조에 이상적인 기술이며, 또한 유기 폴리머-무기 하이브리드 초격자의 제조에도 적용할 수 있다.
As a result, two-dimensional polydiacetylene having an inorganic crosslinked layer was developed using MLD. The MLD process enables precise control of film thickness at low temperatures, large scale uniformity, good conformality, good reproducibility and sharp interface. The prepared ZnOPDA films exhibited excellent thermal and mechanical stability, and high field effect mobility (> 1.3 cm 2 V −1 s). The MLD method is an ideal technique for the production of various 2D organic polymer thin films having an inorganic crosslinked layer, and can also be applied to the production of organic polymer-inorganic hybrid superlattices.

실험예Experimental Example 2 2

실시예Example 2의  2 of TiOPDATiOPDA 필름의 특성 조사 Investigate the properties of the film

FTIR 분광기(FTLA 2000)을 IR 스펙트럼을 수득하였다. 스펙트럼은 1cm-1 간격으로 64scan하였다. 막자 및 막자 사발을 이용하여 KBr powder (Sigma Aldrich)를 곱게 갈은 다음, 압착기를 이용하여 KBr 펠렛(pellet)을 제조하였다. 제조된 펠렛 표면에 하이드록실 사이트를 만들기 위해 ALD 기술을 이용하여 Al2O3를 증착한 후 상기 실시예 2에서와 같은 방법으로 TiOPDA를 제조하였다. UV-VIS 분광기(Agilent 8453 UV-Vis)을 사용하여 Quartz plate(JMC glass) 위에 상기 실시예 2에서와 같이 제조된 TiOPDA 필름의 UV-VIS 스펙트럼을 수득하였다. 모든 XP 스펙트럼은 15 kV 및 70 W에서 작동하는 MgKa 소스를 사용하여 VG Scientific ESCALAB MK II 분광기에 기록하였다. 결합 에너지 규모는 주요 C 1s 피크에서 284.5 eV로 조정하였다. 각 샘플을 전자 분석기에 대하여 90°에서 분석하였다.
An FTIR spectrometer (FTLA 2000) obtained the IR spectrum. The spectra were 64 scans at 1 cm −1 intervals. Using a mortar and pestle, KBr powder (Sigma Aldrich) was ground finely, and KBr pellets were prepared using a compactor. TiOPDA was prepared in the same manner as in Example 2 after Al 2 O 3 was deposited using ALD technology to make hydroxyl sites on the prepared pellet surface. UV-VIS spectra of TiOPDA films prepared as in Example 2 above were obtained on a quartz plate (JMC glass) using a UV-VIS spectrometer (Agilent 8453 UV-Vis). All XP spectra were recorded on a VG Scientific ESCALAB MK II spectrometer using MgKa sources operating at 15 kV and 70 W. The binding energy scale was adjusted to 284.5 eV at the main C 1s peak. Each sample was analyzed at 90 ° against an electronic analyzer.

결과result

FTIR 분광법은 TiOPDA 박막의 기능기를 확인하기 위해 사용되었다. 도 10. 은 제조된 TiOPDA 박막의 스펙스럼을 나타낸다. 비교를 위해 PDA IR 스펙트럼 또한 분석해 보았다. 1000 cm-1과 1350 cm-1에 피크는 각 각 C-O 및 CH2 결합의 피크를 나타낸다. 1600 cm-1에서 두드러진 피크는 C=C 스트레칭에 관한 피크로 디아세틸렌이 UV 조사를 통해 중합되었음을 나타낸다. FTIR spectroscopy was used to identify the functional groups of the TiOPDA thin film. 10 shows the spectrum of the prepared TiOPDA thin film. PDA IR spectra were also analyzed for comparison. The peaks at 1000 cm −1 and 1350 cm −1 represent the peaks of the CO and CH 2 bonds, respectively. A prominent peak at 1600 cm −1 is a peak for C = C stretching, indicating that diacetylene was polymerized by UV irradiation.

TiOPDA의 광학적 특성 평가를 위해 UV-VIS 분광법을 이용하였다. 도 11은 Quartz plate위에 성장된 50 nm 두께의 TiOPDA UV-VIS 스펙트럼이다. 디아세틸렌과 비교하여 TiOPDA에서는 300 nm 내지 400 nm 의 파장 영역에서 흡수 피크를 나타내었다. UV-VIS spectroscopy was used to evaluate the optical properties of TiOPDA. 11 is a 50 nm thick TiOPDA UV-VIS spectrum grown on a quartz plate. In comparison with diacetylene, TiOPDA showed absorption peaks in the wavelength region of 300 nm to 400 nm.

X-선 광전자(X-ray photoelectron; XP) 분광 연구를 상기 MLD 과정에 의해 성장된 TiOPDA 박막의 조성을 측정하기 위해 실시하였다. 도 12는 Si 기질 상에 성장된 100 nm 두께의 TiOPDA 박막의 조사 스펙트럼을 나타낸 것이다. XP 스펙트럼은 오직 티탄, 산소 및 탄소에 대한 광전자 및 오제 전자(Auger electron) 피크를 나타냈다. 이러한 원소에 대한 피크 영역 비율은 1:5.6:11.7 (Ti:O:C)으로, 이는 원소 감도 인자에 의해 보정된 것이다. 비교를 위한, 2D 폴리디아세틸렌의 모델 구조(도 2)의 예상 비율은 1:4:12이었다. 이와 같이, 본원의 Ti : O : C 의 비율인 1:5.6:11.7은 이상적인 Ti: O : C 비율과 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 284.5eV의 C1s 피크는 공액 결합된 탄소를 나타내고, 286 및 288.6eV의 피크는 산소와 결합된 탄소의 피크이다.
X-ray photoelectron (XP) spectroscopic studies were conducted to determine the composition of TiOPDA thin films grown by the MLD process. 12 shows the irradiation spectrum of a 100 nm thick TiOPDA thin film grown on a Si substrate. XP spectra showed optoelectronic and Auger electron peaks for only titanium, oxygen and carbon. The peak area ratio for this element is 1: 5.6: 11.7 (Ti: O: C), which is corrected by the element sensitivity factor. For comparison, the expected ratio of the model structure of 2D polydiacetylene (FIG. 2) was 1: 4: 12. Thus, it was confirmed that the ratio of Ti: O: C of 1: 5.6: 11.7 is very similar to the ideal Ti: O: C ratio. The C1s peak of 284.5 eV represents conjugated carbon, and the peaks of 286 and 288.6 eV are the peaks of carbon bonded to oxygen.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that the foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and that those skilled in the art can easily modify the invention without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention .

Claims (15)

분자층 증착법(molecular layer deposition; MLD)을 통하여 무기 가교층과 유기 폴리머를 층간 결합시키는 것을 포함하는, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법.A method for producing an organic-inorganic hybrid thin film, comprising interlayer bonding an inorganic crosslinked layer and an organic polymer through molecular layer deposition (MLD). 제 1 항에 있어서,
분자층 증착용 챔버 내에서 기재 상에 무기 가교층을 결합시키는 단계; 및,
상기 기제 상에 결합된 상기무기 가교층에 헥사디인 디올(hexadiyne diol; HDD)을 결합시킨 후 UV 처리하여 중합시키는 단계
를 포함하는 공정 사이클을 1회 이상 수행하는 것을 포함하는, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법.
The method of claim 1,
Bonding an inorganic crosslinked layer onto the substrate in the chamber for molecular layer deposition; And
Bonding hexadiyne diol (HDD) to the inorganic crosslinked layer bonded on the base, and then polymerizing the same by UV treatment.
Method for producing an organic-inorganic hybrid thin film comprising performing one or more process cycles comprising.
제 1 항에 있어서,
상기 유기 폴리머는 폴리디아세틸렌 또는 비닐 에테르-알레이미드(vinyl ether-aleimide)을 포함하는 것인, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법.
The method of claim 1,
The organic polymer comprises polydiacetylene or vinyl ether-aleimide (vinyl ether-aleimide), a method for producing an organic-inorganic hybrid thin film.
제 1 항에 있어서,
상기 무기 가교층은 Zn, Al, Ti, Zr, Sn, Mn, Fe, Ni, Mo, 및 이들의 조합들로 이루어진 군 중에서 선택된 금속의 산화물을 포함하는 것인, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법.
The method of claim 1,
The inorganic crosslinked layer includes an oxide of a metal selected from the group consisting of Zn, Al, Ti, Zr, Sn, Mn, Fe, Ni, Mo, and combinations thereof. .
제 1 항에 있어서,
상기 유기-무기 혼성 박막은 2차원인 것인, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법.
The method of claim 1,
The organic-inorganic hybrid thin film is a two-dimensional, organic-inorganic hybrid thin film manufacturing method.
제 2 항에 있어서,
상기 헥사디인 디올(HDD)이 상기 기재 상에 결합된 상기 무기 가교층에 결합 시, 자기-종결(self-terminating) 반응하는 것을 포함하는 것인, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법.
The method of claim 2,
When the hexadiin diol (HDD) is bonded to the inorganic cross-linked layer bonded on the substrate, self-terminating the reaction comprising, a method for producing an organic-inorganic hybrid thin film.
제 2 항에 있어서,
상기 기재 상에 상기 무기 가교층을 결합시킨 후 퍼징시키는 것을 추가 포함하는 것인, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법.
The method of claim 2,
Bonding the inorganic crosslinking layer on the substrate and then further comprising purging, the organic-inorganic hybrid thin film manufacturing method.
제 2 항에 있어서,
상기 기재에 결합된 상기 무기 가교층에 상기 헥사디인 디올(HDD)을 결합시킨 후 퍼징시키는 것을 추가 포함하는 것인, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법.
The method of claim 2,
Bonding the hexadiyne diol (HDD) to the inorganic crosslinked layer bonded to the substrate and further comprising purging, organic-inorganic hybrid thin film manufacturing method.
제 7 항에 있어서,
상기 퍼징은 아르곤(Ar), 질소(N2) 또는 헬륨(He)을 포함하는 퍼지가스로 퍼징시키는 것인, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법.
The method of claim 7, wherein
The purging is to purge with a purge gas containing argon (Ar), nitrogen (N 2 ) or helium (He), the organic-inorganic hybrid thin film manufacturing method.
제 8 항에 있어서,
상기 퍼징은 아르곤(Ar), 질소(N2) 또는 헬륨(He)을 포함하는 퍼지가스로 퍼징시키는 것인, 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법.
The method of claim 8,
The purging is to purge with a purge gas containing argon (Ar), nitrogen (N 2 ) or helium (He), the organic-inorganic hybrid thin film manufacturing method.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 유기-무기 혼성 박막의 제조 방법에 의해 제조된, 유기-무기 혼성 박막.An organic-inorganic hybrid thin film prepared by the method for producing an organic-inorganic hybrid thin film according to any one of claims 1 to 10. 제 11 항에 있어서,
상기 유기-무기 혼성 박막은 2차원인 것인, 유기-무기 혼성 박막.
The method of claim 11,
The organic-inorganic hybrid thin film is two-dimensional, organic-inorganic hybrid thin film.
제 11 항의 유기-무기 혼성 박막을 포함하는 유기 전자 소자.An organic electronic device comprising the organic-inorganic hybrid thin film of claim 11. 기질;
상기 기질 상에 형성된 제 11 항에 따른 유기-무기 혼성 박막을 포함하는 반도체 채널; 및
상기 반도체 채널 상에 형성된 소스/드레인 전극
을 포함하는, 박막 트랜지스터.
temperament;
A semiconductor channel comprising the organic-inorganic hybrid thin film according to claim 11 formed on the substrate; And
Source / drain electrodes formed on the semiconductor channel
It includes, a thin film transistor.
제 14 항에 있어서,
상기 박막 트랜지스터가 1.2 cm2V-1s 이상의 전계 효과 이동도를 갖는 것인, 박막 트랜지스터.
15. The method of claim 14,
Wherein the thin film transistor has a field effect mobility of 1.2 cm 2 V −1 s or more.
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