一种改善柔性打印有机薄膜晶体管的制作方法与流程

本发明属于有机场效应晶体管的制备方法领域，尤其涉及到一种改善柔性打印有机薄膜晶体管的制作方法。

背景技术：

无机电子器件问世以后，基于有机半导体的电子器件的应用前景随着时间的推移而越发广阔，比如有机太阳能电池、有机发光二极管、有机场效应晶体管、有机光电存储器等纳米器件。其中，有机场薄膜晶体管，简称organic thin-film transistor(OTFT)，在经历了多年的调查研究后，其颇具吸引力的特征逐渐映入大众眼帘。

OTFT的独特优势在于它可实现大面积机械柔性显示，同时拥有高性能、低功耗、低成本和易加工等技术特点，作为显示器色彩丰富清晰。如今对于OTFT的追求之一在于进一步地缩短响应时间提升其性价比，诸多的努力也使得OTFT在环境生物等领域的传感检测方面有用武之地。比如，Narayan和他的团队最初研究出的一种基于poly(3-octylthiophene-2,5-diyl)的OTFT光传感器，就已经可以获得100的开关电流的比(K.S.Narayan and N.Kumar,Appl.Phys.Lett.2001,79,1891-1893).。由此，各国各公司、高等院校和科研院所开始紧张密集地研究，以角逐这个行业的龙头老大，争取研发OTFT应用产品的一席之地。

OTFT中使用的有机材料基本可分为两类，一是聚合物，比如商业化药品poly(3-hexylthiophene)，简称P3HT；另一类则是小分子，典型例子则是并五苯。由于众多聚合物中强大的π-π键间作用可以大大促进载流子的传输，越来越多的研究致力于各种能改善OTFT载流子迁移率、电流开关比、阈值电压和亚阈值摆幅等性能参数的有机新型功能材料的使用。为了进一步增强OTFT性能，努力工作主要集中在以下几个方面：(1)研究探寻合成路线以构建出更利于载流子传输的材料模型，主要用于活性层、介电层和部分修饰层材料材料。(2)与传统的涂膜技术相比较，溶液法等新型途径获得的有机薄膜在大面积、低成本的OTFT器件制备技术中更有潜在优势。甚至在2014年，S.Tiwari等人发现悬浮膜转移法获得的OTFT电学性能比旋涂膜法制备的器件效果更佳(S.Tiwari,W.Takashima,S.Nagamatsu,S.K.Balasubramanian,and R.Prakash,J.Appl.Phys.2014,116,094306)。(3)由于载流子流经的活性层与介电层的距离仅为几个分子的厚度，所以半导体和介电层的界面效应成为改善OTFT性能的重要方式之一，通过适当的界面修饰或自组装处理可以显著提升其载流子迁移率(X.Zhao,Q.Tang,H.Tian,Y.Tong,and Y.Liu,Org.Electron.2015,16,171-176)。(4)此外，越来越多的小组开始在活性层中掺杂各种有机分子，以此进一步增强其导电性。不同有机材料的掺杂浓度会导致OTFT活性层表面形貌的变化，部分还会由于结晶度的差异影响其性能(H.Kleemann,C.Schuenemann,A.A.Zakhidov,M.Riede,B.Lüssem,and K.Leo,Org.Electron.2012,13,58-65)。

虽然我国的科研水平与发达国家几乎同步，但是OTFT经典活性层材料的单一使用使得性价比无法进一步提升，导致基于OTFT器件的产业化生产应用明显不足。

技术实现要素：

解决的技术问题：针对传统经典材料的频繁使用致使制备成本过高、制备OTFT工艺手段较为复杂、传统器件能耗太大等技术问题，本发明提供一种改善柔性打印有机薄膜晶体管的制作方法，成本低廉，工艺简单，能耗较低。

技术方案：一种改善柔性打印有机薄膜晶体管的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：将相片纸分别用去离子水和氮气清理表面；

步骤二：将经过步骤一处理的相片纸置于培养皿中放入真空干燥箱加热；

步骤三：在经过步骤二处理的相片纸上打印银电极，将相片纸置于培养皿中放入真空干燥箱加热；

步骤四：将BFTII和P3HT混合后用氯仿做溶剂配成混合溶液，在所述混合溶液打印在经过步骤三处理的相片纸上的银电极沟道中，然后进行热退火处理，BFTII的分子结构如下：

步骤五：在经过步骤四处理的相片纸上打印介电层，将相片纸置于培养皿中放在真空干燥箱中加热；

步骤六：涂紫外固化胶进行紫外固化，盖上玻璃片后封装完毕。

作为优选，所述相片纸切割尺寸为1.6cm×1.4cm。

作为优选，步骤三中所述银电极为边栅结构，所述边栅结构包括栅极、漏极、源极和沟道，所述沟道长度为80μm，宽度为8000μm。

作为优选，步骤四中所述混合溶液中BFTII和P3HT的总质量与氯仿的体积比为4mg/mL。

作为优选，步骤四中所述BFTII占BFTII和P3HT总质量的百分比为0～40％。

作为优选，步骤四中所述BFTII占BFTII和P3HT总质量的百分比为10％。

作为优选，步骤四中所述热退火温度为100℃，真空退火10分钟。

有益效果：本发明制造成本低，工艺简单，通过在新型低聚OTFT活性层材料中掺杂聚合物和热退火方法，即可使得OTFT在保持较低阈值电压的条件下，载流子迁移率提升两个以上数量级，开关比也能上升一个数量级，适于大规模产业化应用。

附图说明

图1制得的银电极示意图。

图2制得的OTFT的结构示意图。

图3纯BFTII活性层的原子力显微图像。

图4 BFTII活性层在10％P3HT掺杂浓度下的原子力显微图像。

图5制得的性能最佳OTFT器件为P3HT在活性层中掺杂浓度10％时的转移特性曲线。

图6制得的性能最佳OTFT器件为P3HT在活性层中掺杂浓度10％时的输出特性曲线。

图7 OTFT载流子迁移率在不同P3HT掺杂浓度下的比较。

图8 OTFT电流开关比在不同P3HT掺杂浓度下的比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

实施例1

本发明提供了一种改善柔性打印有机薄膜晶体管的制作方法，方案的实施主要包括基底材料的选择，纳米银墨水的配制、活性层墨水的配制、介电层墨水的配制、活性层的制备、银电极的制备、介电层的制备、热退火处理和产品封装等，制得的银电极示意图如图1所示，所述银电极由栅极、源极、漏极和沟道组成，在同一平面内，栅极电压的变化可以很好的调控源漏电流，所述银电极为边栅结构，设计沟道长度为80μm，宽度为8000μm。制得的OTFT的结构示意图如图2所示，从下向上依次为相片纸基底、银电极、掺杂的活性层(P3HT+BFTII)和介电层。基底材料既可以选择相片纸，也可以选择玻璃、硅片，又可以选择其他柔性基底材料，如PC、PET塑料等。基底材料的选择主要是根据目标产品的需求来衡量，如果要用作贴合可变形的传感检测或显示板，柔性基底更为合适；如果用做透明发光，最为合适的是玻璃基底。本发明选择了相片纸做为基底，电极采用边栅结构。

本发明所述方法具体步骤如下：相片纸切割尺寸为1.6cm×1.4cm，将相片纸分别用去离子水和氮气清理表面。清理后的相片纸置于培养皿中放入真空干燥箱，在40℃下烘3小时后取出；在取出后的相片纸上打印银电极，之后将相片纸置于培养皿中放入真空干燥箱，在40℃下烘3小时后取出；以氯仿做溶剂，将P3HT和BFTII作为溶质，配成溶液的浓度为4mg/mL，P3HT占溶质总质量百分比从0％～40％每10％增加一次进行比较，将配制好的混合溶液分别在相片纸的银电极沟道中打印，打印过程中确保溶液与沟道两边接触良好，将打印好的相片纸在100℃的温度下真空退火10分钟。经过退火处理后，在相片纸上打印介电层，之后将相片纸置于培养皿中放入真空干燥箱，在40℃下烘3小时后取出，OTFT初步制作完成。

参照图3，随着活性层掺入的P3HT浓度从0变化到40％。图3中BFTII活性层的原子力显微图像显示出纯BFTII分子呈现棒状堆叠的状态，相互之间有很多空隙，随着活性层掺入的P3HT浓度从0逐渐增加的过程中，P3HT分子逐渐填充进了之前的空隙之间，使得表面愈加平整，如图4所示，BFTII活性层在10％的P3HT掺杂浓度下载流子迁移率最高，相比纯的BFTII活性层提高一个数量级，开关比也有所提高，为最佳效果浓度。

所述活性层材料BFTII是一种新型低聚有机半导体，其最高占据分子轨道能级(HOMO)和最低未占据分子轨道能级(LUMO)分别为-5.09eV和-3.60eV，作为OTFT的活性层能表现出很好的场效应特性。

用测试台探针分别连接OTFT的三个电极并通过Keithley源表能够对制得的OTFT进行电学性能测试，性能最佳OTFT器件为P3HT在活性层中掺杂浓度10％时的情况，其转移特性曲线和输出特性曲线分别见图5和图6，迁移率达到1.25×10-2cm²V^-1s^-1，同时电流开关比也达到2×10⁴。各OTFT载流子迁移率和电流开关比在不同P3HT掺杂浓度下的比较分别见图7和图8，当P3HT掺杂浓度为10％，载流子迁移率相比未掺杂时提升了一个数量级，开关比也提升很多，继续掺杂至40％则又逐渐减小。

测试完毕后，在四周涂上紫外固化胶，盖上盖玻璃，紫外固化，即完成了封装。