一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法
【专利摘要】一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，制备器件第一层，在第一层上制备源电极、漏电极和半导体活性层；制备器件第二层，将对应源电极和漏电极的材料剪切，并在对应半导体活性层的位置剪切通道；制备器件第三层，在第三层上剪切对称的圆孔，且直径与第二层的通道宽度相等；最后在器件第二层的两面贴上双面胶粘住第一层和第三层，完成制备。本发明巧妙的使用了微流控层压技术制备通道结合有机场效应晶体管的制备，完成了一种柔性的可检测气体及液体的离子敏感场效应晶体管器件。由于通道的制作简易，及柔性的特点，可应用于低成本的柔性离子敏感场效应管的生产，对有机电子器件的应用推广具有深远意义。
【专利说明】一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体晶体管的制备，尤其涉及一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法。
【背景技术】
[0002]在过去半个世纪，微电子技术掀起了人类信息技术的革命，它极大地改变着人们的生活方式和改善人类生活质量。人们无时无刻不感受到微电子给人类社会带来的巨大变化，它已成为蓬勃发展的IT信息产业的核心和基石。
[0003]以有机小分子化合物或聚合物为半导体层材料的有机场效应晶体管成为当前有机光电子功能材料与器件研究领域中前沿热点问题，尤其是在有机半导体技术在低价格系统中有巨大的潜在应用前景，其相比较于无机场效应晶体管有:材料来源广、可与柔性衬底兼容、耐低温性能好、制造工艺较简单、生产成本低等诸多优势。
[0004]离子敏感场效应晶体管(ISFET)是一种微电子离子选择性敏感元件，与离子选择电极相比，ISFET具有如下优点:(I)输入阻抗高，输出阻抗低，兼有信号放大的功能，可避免外界感应与次级电路干扰作用；灵敏度高，响应快；(2)采用集成电路工艺，适于批量生产，成本低，并具有微型化、集成化的发展潜力；(3)全固态结构，机械强度大，在化工、食品、医药、环境监测及科学研究中有广阔的应用前景；(4)易于与外电路匹配，使用方便，并可与计算机连接，实现在线控制。
[0005]场效应晶体管(FET)是一种电压控制的电流源，它由三部分组成一电源、漏(板)和闸门。闸门用于调节电场，发出源到漏的信号。在一个离子敏感场效应晶体管内，闸门随离子变化的，离子浓度改变，闸门的电压也随之调整。不同于一般场效应使用的金属闸门，而是用一层绝缘材料将电源和漏(板)隔开。这个绝缘层直接接触到溶液，这样溶液本身就充当闸门的作用，并与一个电导性“对电极”和一个参比电极相联接。
[0006]微图案化加工技术是实现电子器件及其集成加工的必要手段，也是有机电子研究领域的一个热点问题。对于有机离子敏感场效应晶体管对制造工艺技术的要求，分别考虑到工艺技术的性能、适用性、成本及对环境的友好程度。喷墨技术具有比较全面的性能，它具有良好的图案化成膜能力，工艺简单成本低，适用性强，能得到3PL甚至更微笑的墨滴，能精确、定量的将某种溶解的材料沉积到确定位置，且材料的利用率很高，不浪费材料和对环境造成伤害，由于喷墨印刷的这些优势，它被认为是有机薄膜器件(OTFT)制造中代替光亥IJ，实现金属膜的沉积和有源层半导体直接形成图形的技术选择。
【发明内容】
[0007]解决的技术问题:为解决现有技术问题，本发明提供了一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，结合打印技术和微流控层压技术，利用有机材料柔性的特性，获得工艺简单、低成本、可弯折的柔性离子敏场效应晶体管的大规模生产方式。
[0008]技术方案:一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤: 第一步:取一块柔性聚合物材料板作为器件第一层，并在其上制备源电极和漏电极和半导体活性层，所述源电极与漏电极的水平间距为60-100 μ m，两者之间的间隔用于设置半导体活性层；
第二步:选取另一块与第一块等大小的柔性聚合物材料板作为器件第二层，在对应源电极和漏电极的位置进行裁剪，并在对应半导体活性层的位置处裁剪出宽度为1_2_的通道；
第三步:再选取一块与第一层大小相等的柔性聚合物材料板作为器件第三层，在对应源电极和漏电极的位置进行裁剪，并在对应器件第二层的通道处剪切两个与通道宽度相同的圆孔，且两圆孔位置对称；
第四步:在器件第二层的上、下面上均覆盖双面胶，再将器件第二层与器件第一层和器件第三层粘贴成一体，从而构成离子敏感膜，完成整个柔性离子敏感场效应晶体管的制备。
[0009]器件第一层、器件第二层和器件第三层粘贴成一体后，在半导体活性层上制备钝化层。
[0010]钝化层的制备方法是用环氧树脂胶将器件第三层上的圆孔与圆孔等直径的导管粘连成一体，再将导管的另一端接到微量泵上，通过在一端注入钝化层溶液，另一端使用微量泵抽取，最终在半导体活性层上形成钝化层。
[0011]柔性聚合物材料板为聚对苯二甲酸乙二酯或环烯烃共聚物材料板的一种。
[0012]源电极、漏电极材料为银、金、铝、铜、聚3，4_乙撑二氧噻吩或聚苯乙烯磺酸盐中的一种。
[0013]源电极、漏电极材料的制备方法为真空蒸度沉积法、喷墨打印法或电子束沉积方式中的一种。
[0014]半导体活性层的材料可以为3-己基噻吩的聚合物、酞菁铜或并五苯中的一种。
[0015]半导体活性层的制备方法为喷墨打印、旋涂或真空蒸度沉积法中的一种。
[0016]钝化层的材料为酞菁金属化合物。
[0017]有益效果本发明提供的这种制备柔性有机离子敏感场效应晶体管的方法具有很大的优势:首先，传统的热蒸镀制备场效应晶体管需要在真空环境下进行，而且对于图案化的电极制备上，需要使用定制的模具。而本发明在晶体管的制备方面要求的环境很宽松，无论是每一层柔性聚合物材料的制作还是压电喷墨打印电极及半导体活性层都不需要在手套箱等无水无氧的环境下实施，简化了工艺。
[0018]其次，巧妙的使用了层压技术获得可以流通微升级别溶液的微型通道是本发明的另一大特点，传统的制备微通道的方法是首先经过软件设计通道模型，然后通过激光刻蚀、热压法等复杂的工艺来制备，不仅制作工艺复杂，而且所需的成本也较高。而本发明制备微通道的方法避免了复杂的微通道制作过程，且根据半导体活性层的材料特性选择添加钝化层，可以更好的保护半导体活性层层不受氧气环境下的影响，提高了器件的使用寿命。
[0019]最后，本发明制得的有机电子器件具有较高的柔性，可应用于低成本的柔性离子敏感场效应管的生产，对有机电子器件的应用推广具有深远意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为柔性有机离子敏感场效应晶体管的结构示意图，其中，1、圆孔，2、器件第三层，3、源电极，4、双面胶，5、半导体活性层，6、器件第一层，7、器件第二层，8、漏电极；
图2通入不同pH值的缓冲液，通过检测栅源电极之间的电流变化，从而达到对于pH值的检测；
图3将经过钝化层保护和未经钝化层保护的器件分别放置于空气中，3天后测试各器件的转移特性曲线。
【具体实施方式】
[0021 ] 技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0022]实施例1
结合图1，具体介绍本发明的柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法。
[0023]第一步:根据需要取一块PET作为器件第一层6，采用现有成熟的压电式喷墨印刷方式制作平行排列的源电极3和漏电极8，所用材料均为导电银纳米粒子制备的银墨水，制备后放到热台上进行退火，退火温度为80°C，时间为I小时，以促使银墨水中的溶剂快速挥发，且使银纳米粒子烧结从而提高导电性，精度可达I μ m，其中，源电极3和漏电极8的图案根据需要选择，两者之间留有60 μ m的通道，相较于传统的蒸镀方式更加省时、省料。
[0024]在通道上制作半导体活性层5，采用P3HT，选单个喷嘴，在35V电压、40 μ m点间距的条件下打印单层P3HT层，打印按照竖排进行，打印的P3HT层需要边沿要覆盖源电极3和漏电极8之间的沟道上，打印完半导体活性层5后，将器件第一层6放在手套箱中的热台上，在氮气环境下按照70°C的温度退火I小时。压电喷墨打印方式及条件，可以很好的制备出表面均匀的P3HT薄膜，通过退火处理后，在源、漏电极之间的沟道中可以很好的覆盖，以优化器件的性能。
[0025]将钛青铜溶于氯仿中，然后将溶液以2000RPM的转速、30s时间条件下旋涂于P3HT的半导体活性层5上形成钝化层，因为钛青铜具有良好的电学和光学性能，同时也具有气敏性和气体选择性，具有较高的载流子传输效率，可以保护P3HT不受空气影响，既克服了P3HT不稳定的问题，又提高了器件的使用寿命。
[0026]第二步:取一块PET衬底，裁剪与器件第一层6等大小的衬底，并将对应源电极3和漏电极8的位置切除得器件第二层7，再将对应半导体层活性层5的位置上，切割出宽度为Imm的通道。
[0027]第三步:再取一块PET衬底，裁剪与器件第一层6等大小的衬底，作为器件第三层2，在对应源电极3和漏电极8的位置进行裁剪，并在对应器件第二层的通道处剪切两个与通道宽度相同的圆孔1，且两圆孔位置对称。
[0028]第四步:在器件第二层7上、下两面均贴有双面胶4，通过器件第二层7将器件第一层6和器件第三层2粘贴在一起，完成柔性有机离子敏感场效应晶体管的制备。
[0029]使用时，为方便在通道中通入检测液体或气体，使用环氧树脂胶，将口径与最顶层PET上圆孔相匹配的导管与PET相互连接。利用微流泵控制通道内液体或气体的流动。通入PH值分别为5、6、7、8、9的缓冲液，对源电极3和漏电极8加电压并检测电流的变化。
[0030]实施例2
第一步:根据需要取一块PET作为器件第一层6，采用现有成熟的压电式喷墨印刷方式制作平行排列的源电极3和漏电极8，所用材料均为导电银纳米粒子制备的银墨水，制备后放到热台上进行退火，退火温度为80°C，时间为I小时，以促使银墨水中的溶剂快速挥发，且使银纳米粒子烧结从而提高导电性，精度可达I μ m，其中，源电极3和漏电极8的图案根据需要选择，两者之间留有100 μ m的通道，相较于传统的蒸镀方式更加省时、省料。
[0031]在通道上制作半导体活性层5，采用P3HT，选单个喷嘴，在35V电压、60 μ m点间距的条件下打印两层P3HT层，打印按照竖排进行，打印的P3HT层需要边沿要覆盖源电极3和漏电极8之间的沟道上，打印完半导体活性层5后，将器件第一层6放在手套箱中的热台上，在氮气环境下按照70°C的温度退火I小时。压电喷墨打印方式及条件，可以很好的制备出表面均匀的P3HT薄膜，通过退火处理后，在源、漏电极之间的沟道中可以很好的覆盖，以优化器件的性能。
[0032]第二步:通道的宽度为2nm，其他的操作同实施例1的第二步。
[0033]第三步:圆孔I直径为2nm，其他操作同实施例1的第三步。
[0034]第四步:在器件第二层7上、下两面均贴有双面胶4，通过器件第二层7将器件第一层6和器件第三层2粘贴在一起，完成柔性有机离子敏感场效应晶体管的制备。
[0035]第五步:用环氧树脂胶将口径与圆孔I匹配的导管连接，通过微流泵将钛青铜溶液按照luL/s的速度泵入通道，流通5分钟后停止微流泵，形成钝化层，完成柔性有机离子敏感场效应晶体管的制备。
[0036]使用时，通入pH值分别为5、6、7、8、9的缓冲液，在通入不同pH值的缓冲液时，并对源电极3和漏电极8加电压并检测电流的变化。
[0037]实施例3
第一步:根据需要取一块PET作为器件第一层6，采用现有成熟的压电式喷墨印刷方式制作平行排列的源电极3和漏电极8，所用材料均为导电银纳米粒子制备的银墨水，制备后放到热台上进行退火，退火温度为80°C，时间为I小时，以促使银墨水中的溶剂快速挥发，且使银纳米粒子烧结从而提高导电性，精度可达I μ m，其中，源电极3和漏电极8的图案根据需要选择，两者之间留有100 μ m的通道，相较于传统的蒸镀方式更加省时、省料。
[0038]在通道上制作半导体活性层5，采用P3HT，选单个喷嘴，在35V电压、60 μ m点间距的条件下打印两层P3HT层，打印按照竖排进行，打印的P3HT层需要边沿要覆盖源电极3和漏电极8之间的沟道上，打印完半导体活性层5后，将器件第一层6放在手套箱中的热台上，在氮气环境下按照70°C的温度退火I小时。压电喷墨打印方式及条件，可以很好的制备出表面均匀的P3HT薄膜，通过退火处理后，在源、漏电极之间的沟道中可以很好的覆盖，以优化器件的性能。
[0039]第二步:通道的宽度为2nm，其他的操作同实施例1的第二步。
[0040]第三步和第四步同实施例1中的第三步和第四步，完成柔性有机离子敏感场效应晶体管的制备。
[0041]通入pH值分别为5、6、7、8、9的缓冲液，对源电极3和漏电极8加电压并检测电流的变化。
[0042]如图2，发现当随着pH值的浓度增加时，器件的阈值电压随之变小，由此充分说明本发明器件可以在较低的电压条件下达到检测液体PH值的目的。
[0043]如图3所示，通过对于经过钝化层保护和未经钝化层保护的器件进行测试，发现未经过钝化层保护的器件的开关比明显低于经过钝化层保护的器件。由此说明，经过钝化层保护的器件的寿命明显得到了提高。
[0044]以上对于实施例的详细说明仅作为实例提供，并非以此限制本发明多样化的实施方式。
【权利要求】
1.一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步:取一块柔性聚合物材料板作为器件第一层(6)，并在其上制备源电极(3)和漏电极(8)和半导体活性层(5)，所述源电极(3)与漏电极(8)的水平间距为60-100 μ m，间距上设有半导体活性层(5)，且半导体活性层(5)边沿覆盖在源电极(3)与漏电极(8)上； 第二步:选取另一块与第一块等大小的柔性聚合物材料板作为器件第二层(7)，在对应源电极(3)和漏电极(8)的位置进行裁剪，并在对应半导体活性层(5)的位置处裁剪出宽度为1-2_的通道； 第三步:再选取一块与第一层大小相等的柔性聚合物材料板作为器件第三层(2)，在柔性聚合物材料板上裁切出两个与第二层的通道宽度相同的圆孔(1)，且两圆孔位置对称； 第四步:在器件第二层(7)的上、下面上均覆盖双面胶(4)，再将器件第二层(7)与器件第一层(6)和器件第三层(2)粘贴成一体，完成整个柔性离子敏感场效应晶体管的制备。
2.根据权利要求1所述一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于:器件第一层(6 )、器件第二层(7 )和器件第三层(2 )粘贴成一体后，在半导体活性层(5 )上制备钝化层。
3.根据权利要求2所述一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于:钝化层的制备方法是用环氧树脂胶将器件第三层(2)上的圆孔(I)与圆孔(I)等直径的导管粘连成一体，再将导管的另一端接到微量泵上，通过在一端注入钝化层溶液，另一端使用微量泵抽取，最终在半导体活性层(5)上形成钝化层。
4.根据权利要求1所述一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于:柔性聚合物材料板为聚对苯二甲酸乙二酯或环烯烃共聚物材料板的一种。
5.根据权利要求1所述一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于:源电极(3)、漏电极(8)材料为银、金、铝、铜、聚3，4_乙撑二氧噻吩或聚苯乙烯磺酸盐中的一种。
6.根据权利要求1所述一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于:源电极(3)、漏电极(8)材料的制备方法为真空蒸度沉积法、喷墨打印法或电子束沉积方式中的一种。
7.根据权利要求1所述一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于:半导体活性层(5)的材料可以为3-己基噻吩的聚合物、酞菁铜或并五苯中的一种。
8.根据权利要求1所述一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于:半导体活性层(5)的制备方法为喷墨打印、旋涂或真空蒸度沉积法中的一种。
9.根据权利要求2所述一种柔性有机离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于:钝化层的材料为酞菁金属化合物。
【文档编号】G01N27/414GK104132988SQ201410362343
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】葛·瑞金, 谢业磊, 杨昕, 黄维, 王洋 申请人:南京邮电大学