一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有机电子器件技术领域，具体涉及一种采用有机小分子材料改善有机 薄膜晶体管可控性的方法以及得到的有机薄膜场效应晶体管。
【背景技术】
[0002] 有机薄膜场效应晶体管(OTFT)是电子信息技术发展的一个重要方向，如何进一步 实现其低成本、高性能、可大面积加工、可集成柔性基底等优点是近年来研究的主攻方向。 为了进一步增强OTFT性能，研究工作主要集中在以下几个方面: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(Jianguo Mei jYing DiaojAnthony L-AppletonjLei Fang,and Zhenan Bao^jJ.Am.Chem.Soc.2013, 135，6724-6746);开发新的制备工艺。相比而言，可全溶液法等获得的OTFT器件制备技术在 大面积、低成本的需求中更具优势（pei Han, a Xiaohui Gong, a Baoping Lin, *a Zhenhong Jia，b Shanghui Ye,*b Ying Suna，RSC Adv.2015,5,50098);更复杂的多层间 结构和层间修饰工艺，由于载流子流经的活性层层间结构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介电常数和载流子迀移率(X · zhao，Q · Tang，H · Tian，Y · Tong，and Y.Liu1Org.Electron.2015,16171-176)〇
[0003] 有机薄膜器件使用的有机活性材料可分为两类，一是聚合物，如聚噻吩衍生物 poly(3-hexylthiophene)，简称Ρ3ΗΤ;另一类则是小分子，如新型的噻吩异靛衍生物等，越 来越多的研究致力于改善OTFT载流子迀移率、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（Brandon H.Smith,Michael B.Clark Jr.，Hao Kuang, Christopher Grieco,Alec V.Larsen,Chenhui Zhu,Cheng Wang,Alexander Hexemer, John B.Asbury,Michael J.Janik,and Enrique D.Gomez*,adv,funct.mater.2015,25, 542-552) ATFT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。传统OTFT及其制备方法存在制备工艺复杂，实验室级技术 与社会生产工艺难以对接，单一经典活性层材料制备成本过高性能平庸，传统器件能耗大 实用性低等问题，因而我们提出一种既能在原有基础上实现难度小，工艺简单降低成本且 有效提高器件性能的方法，合适的掺杂优化比例可以使OTFT在保持较低阈值电压的条件 下，载流子迀移率提升两个以上数量级，开关比也能上升一个数量级，解决了上述技术问 题，具有重要的意义。
【发明内容】
[0004] 鉴于现有技术中存在上述技术问题，本发明公开了一种采用新型有机小分子活性 材料改善有机薄膜晶体管可控性的方法，提供了一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应 晶体管及其制备方法，其利用聚合物掺杂的噻吩异靛衍生物小分子材料制备有机薄膜晶体 管活性层，使其表面形貌具备更好的平整度和结晶度，改善活性层与介电层和金属电极之 间界面特性。从而有效改善了有机薄膜晶体管的可控性，提高了器件性能，且工艺简单，成 本降低，适于大规模生产，具备显著的经济和推广价值。本发明采用技术方案如下：
[0005] 本发明提供了一种基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管，其中有机薄膜晶 体管包括栅电极、源电极、漏电极、活性层和绝缘层，栅电极与源电极、漏电极之间通过绝缘 层绝缘，源电极与漏电极相互不接触并以活性层为导电通道，。其中，采用有机聚合物掺杂 的有机半导体材料作为有机薄膜器件晶体管的活性层;所述作为掺杂的聚合物为聚噻吩衍 生物，所述有机半导体材料是一种含有噻吩异靛结构的有机小分子材料，其为一种具有高 载流子迀移率的功能材料，所述材料具有如下结构通式：
[0006]
[0007] 其中，R =苯环，萘，蒽，烷基苯，芳香烃，噻吩，联苯，含氮杂稠环，苯并噻吩、及其衍 生物的一种或多种。
[0008] 所述活性层的聚合物掺杂浓度为有机半导体材料质量的1%-40%，活性层的厚度 为10nm-500nm，可通过溶液制膜法，喷墨印刷、凹版印刷或丝网印刷等方法制备而成。
[0009] 所述绝缘层为聚合物薄膜或无机化合物薄膜，所述无机化合物材料为金属氧化 物，如ZrO2或陶瓷材料，如TiO 2。另外，所述绝缘层可通过修饰层修饰绝缘性能。
[0010] 所述源电极和漏电极材料为金属导电材料或有机导电材料，所述有机导电材料为 PED0T:PSS或纳米碳管。
[0011] 本发明还提供了上述基于掺杂噻吩异靛的有机薄膜场效应晶体管的制备方法，其 具体步骤为：
[0012] (1)选择合适的栅电极材料，并在其上面生成绝缘层，并将得到的基片清洗干燥；
[0013] (2)将聚合物和有机半导体材料掺杂，将掺杂后的混合物在步骤（1)得到的基片上 生成活性层;其中，所述有机半导体材料是一种含有噻吩异靛结构的有机小分子材料，其为 一种具有高载流子迀移率的功能材料，所述材料具有如下结构通式：
[0014]
[00?5] A1T，K一 |叫、，$，席、，>兀35|，芳香经，噻吩，联苯，含氮杂稠环，苯并噻吩、及其衍 生物的一种或多种，所述作为掺杂的聚合物为聚噻吩衍生物；
[0016] (3)在步骤(2)中得到的基片上生成源电极和漏电极。
[0017] 在步骤(2)中，所述聚合物掺杂浓度为有机半导体材料质量的10%-40%，活性层 的厚度为I 〇nm-50 Onm，可通过溶液制膜法，喷墨印刷、凹版印刷或丝网印刷等方法制备而 成。
[0018] 在步骤(1)中，所述绝缘层为聚合物薄膜或无机化合物薄膜，所述无机化合物材料 为金属氧化物，如ZrO2或陶瓷材料，如TiO 2。
[0019] 在步骤(3)中，所述源电极和漏电极材料为金属导电材料或有机导电材料，所述有 机导电材料为PEDOT: PSS或纳米碳管。
[0020] 用原子力显微镜图像(AFM)图与X射线衍射图像(XRD)分析上述有机小分子和聚合 物掺杂结构，可以看到二者的混合颗粒较大，并且按照棒状与层状的混合方式排列，从而提 高了粒子间的排列的紧密型以及有序性，减少界面陷阱电荷和接触电阻，提高空穴传输的 导电性，增强了载流子的传输，提高了器件电性能。
[0021] 本发明利用聚合物掺杂的噻吩异靛衍生物小分子材料制备有机薄膜晶体管活性 层，使其表面形貌具备更好的平整度和结晶度，改善活性层与介电层和金属电极之间界面 特性，制得的有机薄膜晶体管具有很高的可控性，通过选取合适的掺杂剂，可有效改善有机 薄膜晶体管的可控的电性能，可以保持1伏以下阈值电压的前提下提高器件迀移率两个以 上数量级和开关比一个数量级。
[0022] 本发明提供的有机薄膜晶体管的结构简单，制备工艺便于操作，仅仅采用简单的 掺杂法，将聚合物掺杂到有机小分子材料制备有机薄膜晶体管活性层;本发明用于工业领 域，活性层可通过喷墨打印、旋涂或滴膜等湿法工艺，便于大面积制作，降低制作成本，具有 广阔的应用前景。另外，本方法所描述的掺杂法可通过改变有机薄膜晶体管器件的结构来 实现顶栅和底栅等不同结构下的可控性提升。从而有效改善了有机薄膜晶体管的可控性， 提高了器件性能，且工艺简单，成本降低，适于大规模生产，具备显著的经济和推广价值。
[0023] 本发明的有益效果为：（1)本发明提供的有机薄膜晶体管的结构简单，制备工艺便 于操作；（2)有效改善了有机薄膜晶体管的可控性，提高了器件电性能；（3)本发明所描述的 掺杂法工艺简单，成本降低，便于大面积制作，降低制作成本，具备显著的经济和推广价值； (4)本方法所描述的掺杂法可通过改变有机薄膜晶体管器件的结构来实现顶栅和底栅等不 同结构下的可控性提升。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明实施例中有机薄膜晶体管的结构示意图；
[0025]图2为本发明实施例1的转移特性曲线；
[0026]图3为本发明实施例1的输出特性曲线；
[0027]图4为本发明实施例1中活性层的原子力显微镜图(AFM);
[0028]图5为本发明实施例1中活性层的X射线衍射图(XRD);
[0029]图6为本发明实施例1的OTFT载流子迀移率在不同P3HT掺杂浓度下的比较；
[0030]图7为本发明实施例1的OTFT电流开关比在不同P3HT掺杂浓度下的比较；
[0031]图8为本发明实施例1的OTFT阈值电压在不同P3HT掺杂浓度下的比较。
【具体实施方式】
[0032] 为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体实施例来进一步阐述本发明的 技术方案。但实施实例并不限定本发明的保护范围。
[0033] 实施例1
[0034] 本实施例中的有机薄膜晶体管的结构如图1所示，从下向上依次为P型Si栅电极基 底、SiO2绝缘层、OTS绝缘修饰层、活性层和Au源电极、Au漏电极。其中，活性层采用有机聚合 物掺杂的有机半导体材料;所述作为掺杂的聚合物为聚噻吩衍生物P3HT，所述有机半导体 材料是一种含有噻吩异靛结构的有机小分子材料NaphTII，其为一种具有高载流子迀移率 的功能材料，P3HT和NaphTII的分子结构为：
[0035]
P3HT NaphTII
[0036]本实施例中所述活性层的聚合物P3HT的掺杂浓度为NaphTII质量的25%，活性层 的厚度为60nm，通过溶液制膜法中的旋涂方法制备而成。
[0037] 本实施例中的有机薄膜晶体管的制备的具体步骤为：
[0038] (1)本发明采用切割规格1.5cmX 1.5cm的单光