一种基于微沟道结构的微纳米材料有序自组装图形化方法_3

文档序号:8935593阅读:来源:国知局
)和60 wt%的纯水、30 wt%的异丙醇(IPA)和5 wt% HPMC水溶液 (0. 5 mg/ml)均匀混合。将所得的悬浮液在短时间超声处理混匀后,用迈耶棒涂布在亲疏 水基板上(分散液粘度为I. 7 mPa. s ;于二氧化硅和CYTOP上的静态接触角分别为:24°和 %~ ;表面张力为40. 7 mN/m),待自然蒸发干燥,获得厚度约为20 nm的图形化的薄膜。
[0070] 实施例5: 在本实施例中,制作有序导电薄膜的方法如下: 将浓度l〇mg/ml的纳米银溶液(乙醇分散)和纯水及无水乙醇按照1:2:1的质量比混 合,制备的导电墨水中银线质量比例约为0.31 wt%,纳米银线平均直径120 nm,长度20 um。 在清洁的热氧化硅片上做传统的黄光光刻制程,形成光刻胶图案;旋涂CYTOP溶液制备完 整薄膜,后在丙酮中超声处理,去除光刻胶与其上的CYTOP薄膜。将所得的悬浮液在混匀 后,用玻璃棒涂布于已有疏水CYTOP图案的热氧化硅片基板上,水性分散液均匀涂布基板 表面,自发产生润湿和去润湿的行为,并最终缩聚在亲水性区域。待自然蒸发干燥,获得图 形化的导电薄膜,图案线宽可以低至50 um,如图6。统计纳米线长轴方向与图案侧边的夹 角,形成直方图,做高斯分布拟合后可得半高宽(FWHM),该值可以用来表示各向异性纳米材 料薄膜的有序度或取向度。FWHM取值范围[0, 180],数值越小,取向度越高。本实施例中, FWHM值为84. Γ,如图7所示。正常滴涂制备出的纳米线薄膜是随机无序的排列,因而其 FWHM值约等于180°,其形貌的SEM图如图8所示。
[0071] 实施例6: 衬底基板的处理同实施例5。
[0072] 在本实施例中,制作有序导电薄膜的方法如下: 将浓度10 mg/ml的纳米银溶液(乙醇分散)和纯水及无水乙醇按照1:2:1的质量比混 合,制备的导电墨水中银线质量比例约为0.31 wt%,纳米银线平均直径120 nm,长度20 um。 将所得的悬浮液在混匀后,用玻璃棒涂布于已有疏水CYTOP图案的热氧化硅片基板上,水 性分散液均匀涂布基板表面,自发产生润湿和去润湿的行为,并最终缩聚在亲水性区域。待 自然蒸发干燥,获得图形化的导电薄膜,图案线宽可以低至10 um,如图9。相比于宽的图案 区域内纳米线的取向情况,此时FWHM值为39.8°,有序度大幅提升,如图10所示。
[0073] 以同样的制程工艺,不同的掩膜版图案在二氧化硅衬底上作黄光光刻制程,形成 CYTOP图案,进而用高含量纳米银线分散液(0. 62 wt%)做自组装有序沉降成膜,如激光共聚 焦显微镜图11。可以明显发现以为纳米线从大尺寸图形出的无定向随机网络,逐渐过渡为 在微沟道尺寸范围内的高度定向有序的网络薄膜。微沟道是指其沟宽小于纳米材料最大维 度物理尺寸的亲疏水界面图案。
[0074] 实施例7: 衬底基板的处理同实施例5。
[0075] 在本实施例中,制作有序导电薄膜的方法如下: 将浓度10 mg/ml的纳米银溶液(乙醇分散)和纯水及无水乙醇按照1:2:1的质量比混 合,制备的导电墨水中银线质量比例约为0.31 wt%,纳米银线平均直径120 nm,长度20 um。 设计不同线宽图案的掩膜版,通过传统的黄光光刻技术,在基板上制备形成不同线宽尺寸 的CYTOP图案,包含10 15 k m,20 P ??,25 k m,30 k ?1,50關綠,将所得的悬浮液在混 匀后,用玻璃棒涂布于基板上,水性分散液均匀涂布基板表面,自发产生润湿和去润湿的行 为,并最终缩聚在亲水性区域。待自然蒸发干燥,获得图形化的导电薄膜。分别测量不同线 宽尺寸下,薄膜取向度的大小,且用半导体分析仪,测量导电薄膜的总电阻值,结果如表1。 [0076] 表1不同线宽尺寸下,有序纳米银线薄膜的取向度和电阻值_
实施例8: 如图12所示,本发明将有序纳米薄膜应用于制作TFT有源矩阵。该TFT有源矩阵包括 基板81、栅极电极82、绝缘层83、有源沟道层84、源漏电极85、86以及封装保护层87。该 栅极电极82设置在基板81上,可由导电性良好的高密度有序导电薄膜形成。绝缘层83覆 盖在栅极电极82上。该有源层84覆盖在该绝缘层83上,可以由半导体性的有序纳米薄膜 形成,如图13。在有源层84上蒸镀源漏电极85、86形成TFT器件阵列,最后形成保护层87 覆盖在该有源层84的上表面以及源极85与漏极86的周围以隔绝大气水氧等。
[0077] 将有序薄膜应用于制作TFT有源矩阵的制作方法如下: 通过传统光刻和剥离工艺在基板表面形成图形化的疏水界面区域,采用湿法成膜工艺 将填料分散液均匀涂布到基板表面,通过自组装式的润湿和去润湿行为,最终填料仅沉积 在亲水区域,形成与疏水区域图案反型的薄膜。根据材料特性的选择不同,可以将该薄膜用 于TFT器件中的任意电极制备,或者是半导体性的有源驱动层的制备。传统的图形化金属 电极可由电子束蒸镀等物理成膜方法,辅之以化学刻蚀或直接用对准的金属掩膜作电极沉 积来获得。最后可以选用有机薄膜如PMMA,硅胶等成膜,作为高水氧阻隔率的保护层。通过 有序分布的透明导电薄膜代替传统的ITO电极,或者是用有序甚至单向分布的半导体纳米 线材薄膜(如InSb)作为沟道层,制作TFT有源矩阵,既能够有效的降低制作成本,同时可以 用于制作柔性TFT器件。
[0078] 以用有序薄膜取代有源沟道层为例,简述薄膜制备方法: 将平均直径和长度分别为13 nm和5.6说魅的单壁碳纳米管粉末均匀分散至乙醇的质 量百分比为50 wt%的水溶液中,纳米线质量比约为0.2 wt%。在已作亲疏水处理的基板表 面,进行棒涂,待润湿/去润湿自组装行为后,沉降得到有序薄膜,作为沟道材料,然后蒸镀 Au/Ti (40nm/5nm)电极形成欧姆接触。根据图形,如沟道的宽度尺寸大小,纳米管的取向 度(有序度)不同。且随着宽度减小,取向度增大,FWHM变小。图形尺寸为5 km时,碳纳米 管薄膜的取向度FWHM约为83°,但与大尺寸区域(远大于长度,FWHM~180° )薄膜所制备的 TFT相比,其载流子迀移率提升近八倍,可达26. 4 cm2/Vs。
[0079] 实施例9: 如图14所示,本发明将有序纳米薄膜应用于制作有机无机材料混合型TFT有源矩阵。 该TFT有源矩阵包括基板91、栅极电极92、绝缘层93、有源沟道层94、源漏电极95、96以及 封装保护层97。该栅极电极92设置在基板91上,可由导电性良好的高密度有序导电薄膜 形成。绝缘层93覆盖在栅极电极92上。该有源层94覆盖在该绝缘层93上,可以由有序 取向的一维导电纳米材料形成的稀疏薄膜和各向同性均匀的无机半导体层共同组成,如图 15。在有源层94上蒸镀源漏电极95、96形成TFT器件阵列,最后形成保护层97覆盖在该 有源层94的上表面以及源极95与漏极96的周围以隔绝大气水氧等。
[0080] 以用有序薄膜取代有源沟道层为例,简述薄膜制备方法: 将平均直径和长度分别为60 nm和15. 6 μ ffi的金属纳米银线均匀分散至乙醇的质量 百分比为50 wt%的水溶液中,纳米线质量比约为0.33 wt%。在已作亲疏水处理的基板表 面,进行棒涂,待润湿/去润湿自组装行为后,沉降得到有序薄膜,但不导通(渗流以下),作 为沟道层的传输添加材料;后续磁控溅射沉积100 nm非晶无定型IGZO薄膜作为沟道驱动 层(本底真空度小于10 6Torr,氧气占比(与氩气混合)为0~20%,射频功率密度范围1~2 W/ cm2),然后蒸镀Mo (40 nm)电极形成欧姆接触。根据图形,如沟道的宽度尺寸大小,纳米银 线的取向度(有序度)不同。且随着宽度减小,取向度增大,FWHM变小。图形尺寸为10呢_: 时,纳米银线的取向度FWHM约为56°,但与尺寸为30 IUn (FWHM=114° )薄膜所制备的TFT 相比,其薄膜的总电阻值降低10倍以上,达0.6 MHz,不会使源漏电极完全短路。虽然会轻 微增大器件的漏电流大小,但增大器件的载流子迀移率的效应更为明显,相比可以提升20 倍以上,可达67. 2 cm2/Vs。
[0081] 实施例10: 如图16所示,本发明将有序纳米薄膜应用于制作有机无机材料混合型TFT有源矩阵。 该TFT有源矩阵包括基板101、栅极电极102、绝缘层103、有源沟道层104、源漏电极105、 106以及封装保护层107。该栅极
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