专利名称：一种有机半导体材料及该材料制备有机薄膜晶体管的方法
技术领域：
本发明涉及一种有机薄膜晶体管及其制备方法，确切地说是一种基于有机半导体材料共混物的低温熔融特性加工半导体层来制备有机薄膜晶体管的方法。
背景技术：
有机薄膜晶体管(OTFT)是以有机半导体材料作为半导体层的晶体管器件，主要由栅电极、绝缘层、有机半导体层和源、漏电极几部分构成。与硅TFT相比，OTFT具有制备温度低、可大面积均勻生长、易于加工制备及可通过分子设计调控性能等优点，因而能够满足新型显示技术的要求，是下一代平板显示的核心技术。目前，基于并五苯，红荧稀等小分子有机薄膜晶体管一般用热蒸镀的方法成膜，此方法成膜质量好，但对设备要求高，而且需要超高真空，耗能大，另外要能保证这些小分子在热蒸发时不会分解。而对于聚合物半导体而言，一般是采用有机溶剂(氯仿，氯苯等)将聚合物半导体配成溶液后，经过旋涂，或者喷墨打印等方法成膜，操作工艺简单，容易实现大面积，但是所用的卤族类溶剂大部分都有毒，对人体和环境伤害较大。虽然B. Ong等人最近尝试使用相对无毒性的溶剂来解决环境污染问题，但是加工过程需要UV曝光和很高的处理温度，这对半导体材料的性能都有很大的影响。因此寻找新型、低成本，环境友好的制作方法已成为当前OTFT研究的重要方向。熔融加工是一种相对简单高效、环境友好的加工方法。许多聚合物材料在加热到其粘流温度后都具有优异的加工性能。由于半导体聚合物一般是由芳香单元构成的平面共轭刚性分子，分子内和分子间存在着很强的η-η相互作用，因此纯的半导体聚合物具有很高的粘流温度，使其难以熔融加工。共混技术是指把各种具有不同性质的组分混合在一起形成多组分复合材料，从而将各组分的优点结合起来，以实现单一组分无法实现的功能。通过将有机半导体与热塑聚合物复合，能够将有机半导体的光电性能与热塑聚合物的优异的熔融加工性能有机地结合在一起，制备出可熔融加工的半导体复合材料。使用共混物熔融加工半导体材料制备有机薄膜晶体管至今未见任何报道。
发明内容
本发明针对现有方法的不足，提供一种新的简便、环境友好型的像加工热塑性塑料一样加工有机半导体材料制作OTFT的方法，所要解决的技术问题是有机半导体材料具有低温熔融的特性。本发明的又一目的是提供有机薄膜晶体管器件，其特征在于他们包括至少一个通过本发明的方法制作的层。本发明所称的有机半导体材料是由半导体材料组分以连续的纳米纤维线分散于在200°C以下可熔融加工的热塑性聚合物中得到的双组份共混物，其中半导体材料组分的质量占共混物总质量的1_50%。
所述的半导体材料选自有机聚合物聚3-己基噻吩(P3HT)所述的热塑性聚合物选自可在200°C以下熔融加工、并且不会破坏P3HT分子中的共轭结构的热塑性聚合物。例如聚苯乙烯(PS)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚己内酯 (PCL)，聚氧化乙烯(PEO)，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物即SBS 丁苯橡胶等。正是这些热塑性聚合物赋予有机半导体材料低温熔融的特性。本发明所述的有机半导体材料可通过如下方法制备将有机半导体材料组分与热塑性聚合物溶解在有机半导体材料的良溶剂(如氯仿、氯苯等)中；然后向该溶液中逐滴加入有机半导体材料的不良溶剂(如二氧六环、乙腈、 丙酮等)，溶液中的有机半导体组分因溶解度的降低从溶液中析出并形成纳米线。最后在氮气流中挥发掉溶液中的溶剂，形成固体状的有机半导体/热塑性聚合物绝缘体的共混物。本发明所称的有机薄膜晶体管其半导体层就是由上述有机半导体材料共混物加工的共混膜，所谓有机薄膜晶体管的制备方法就是由上述有机半导体材料共混物制备半导体层的方法，该方法按以下步骤进行a)将含有半导体材料和热塑性聚合物绝缘体的共混物小碎片均勻置于源、漏电极和导电沟道处，或者将共混物粉末撒在掩模板上，在60-150°C预烘4-8min，直到共混物熔融软化；b)在60_150°C下压延成膜，使共混物粘到基板上；c)在 60_150°C干燥 10_30min。本方法利用有机半导体材料共混物在低温下熔融的特性来加工0TFT，具有制备温度低，可大面积加工和生产成本低等优点，由于共混物膜具有优良的拉伸断裂伸长率和良好的力学性能，特别适合在柔性基板上制备柔性可拉伸的有机半导体器件。
四
图1为本发明所述的熔融加工法制备有机薄膜晶体管的工艺示意图。图2(a)为熔融热压半导体共混物照片。从照片中可以看出，只要在所需要半导体材料的源、漏电极和导电沟道处置放共混有机半导体材料，或者使用掩膜板的办法，将共混有机半导体粉末洒于掩膜板上，然后加热熔融延压成膜，对没有粘到基板上的材料可以回收再利用。 图2 (b) P3HT/PCL共混膜的电镜图。图3 (a)为纯 PCL 的 DSC 图；(b)为纯的 P3HT 的 DSC 图；(C)为 P3HT/PCL (1/5)共混物的DSC图。从图3(c)中可以看出，共混物大约在56°C就出现一个熔融峰，对应于图3 (a)可知为PCL的熔融温度。因为共混物中只含有少量的P3HT，所以当PCL开始熔融时，整个共混物也会在这个温度软化，我们就可以在该温度下对共混有机半导体进行热压成膜。图4为基于P3HT/PCL有机薄膜晶体管器件的转移特性曲线和输出特性曲线。图5为P3HT/PCL共混物的拉伸力学性能图。据文献参考，纯P3HT的拉伸断裂伸长率只有3%，而本发明所述的P3HT/PCL共混物的拉伸断裂伸长率高达300 %。五具体实施例方式以下的具体实施例将就本发明的半导体材料的制备和制备OTFT作出详细的解释。实施例1将P3HT与聚己内酯(PCL)按不同的比率(P3HT/PCL :50%/50%-I %/99% )溶解在三氯乙烯中，制成浓度为2%的溶液，然后向该溶液中逐滴加入l-50Vol%的二氧六环， 最后在队中挥发掉溶剂，制成固体状有机半导体材料共混物。实施例2用聚甲基丙烯酸甲酯替换聚己内酯，然后按实施例1的步骤制备固体有机半导体材料共混物。实施例3用聚苯乙烯替换聚己内酯，然后按照实施例1的步骤制备固体有机半导体材料共混物。实施例4用聚氧化乙烯替换聚己内脂，然后按照实施例1的步骤制备固体有机半导体材料共混物。实施例5用SBS 丁苯橡胶替换聚己内酯，然后按照实施例1的步骤制备固体有机半导体材料共混物。实施例6采用重掺杂单晶硅作为基板和栅极，热氧化生成的300nm 二氧化硅作为介电层；采用真空蒸发或溅射方法制备两个金电极，作为源电极和漏电极；沟道长100 μ m，宽 SOOym0采用实施例1-5中所制得的固体共混物小碎片置于源漏电极和导电沟道处，或者将共混物粉末撒在掩模板上，在60-150°C预烘4-8min，待固体软化熔融后，压延成膜，使半导体粘到基底上；在120°C后烘lOmin，从而制得有机薄膜晶体管。
权利要求
1.一种有机半导体材料，其特征在于本材料是由半导体材料组分聚3-己基噻吩以连续纳米纤维线分散于200°C以下可熔融加工的热塑性聚合物中得到的共混物，其中聚3-己基噻吩组分的质量占共混物总质量的1_50%。
2.根据权利要求1所述的有机半导体材料，其特征在于所述的热塑性聚合物选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚己内酯、聚氧化乙烯或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
3.一种有机薄膜晶体管的制备方法，包括基板、栅极、源电极和漏电极及半导体层的制备，其特征在于用权利要求1所述的有机半导体材料按以下步骤制备半导体层a)将有机半导体材料共混物小碎片均勻置于源、漏电极和导电沟道处，或者将共混物粉末撒在掩模板上，在60-150°C预烘4-8min，直到共混物熔融软化；b)在60-150°C下压延成膜，使共混物粘到基板上；c)在60-150°C干燥 10-30min。
全文摘要
一种有机半导体材料，由半导体材料组分聚3-己基噻吩以连续纳米纤维线分散于200℃以下可熔融加工的热塑性聚合物中得到的共混物，其中聚3-己基噻吩组分的质量占共混物总质量的1-50％。用本材料制备有机薄膜晶体管半导体层的方法是将有机半导体材料共混物小碎片均匀置于源、漏电极和导电沟道处，或者将共混物粉末撒在掩模板上，在60-150℃预烘4-8min，直到共混物熔融软化，然后延压成膜，最后干燥。本发明共混膜拉伸断裂伸长率高达300％，特别适合在柔性基板上制备柔性可拉伸的有机半导体器件。
文档编号H01L51/30GK102229725SQ20111013241
公开日2011年11月2日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者吕国强, 徐琼, 王晓鸿, 邱龙臻 申请人:合肥工业大学