一种有机单晶场效应晶体管及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种有机单晶场效应晶体管及其制备方法。所述有机单晶场效应晶体管的源电极和漏电极均由CuTCNQ一维纳米结构制成，所述有机场效应晶体管的有机半导体由9,10-二(苯乙炔基)蒽(BEPA)单晶构成。本发明有机场效应晶体管器件的制作方法都比较简便，制作周期较短通常只需一个小时左右，采用的电极材料成本比较低廉，同时能大量获取。所述结构中，源漏电极以及半导体材料均为有机单晶材料，提供了新颖的有机单晶场效应晶体管的构型，同时器件性能与文献报道的以金薄膜电极作为源漏电极的器件性能相当。
【专利说明】一种有机单晶场效应晶体管及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有机场效应晶体管领域，具体涉及一种有机单晶场效应晶体管及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 有机半导体界面工程，主要研究有机电子器件各界面层的修饰工艺以及形貌对器 件性能的优化和提升。在这其中，电极/有机半导体界面作为器件必不可少的组成部分，关 于它的研究主要集中在电荷载流子从源漏电极注入到有机半导体的传输过程。这对于优 化载流子在该界面层的注入效率以及进一步提升器件性能有着重要的意义。目前为止，一 般较常规的电极/有机半导体界面层的修饰方法有：加入金属氧化物薄层（如MoO3,WO3和 V2O5等），氧等离子，紫外臭氧和自组装单分子层（SAMs)等。但是这些方法有着操作复杂和 技术成本较高等缺点，限制了进一步的应用。因而找到一种简单、便捷、可行和低成本的界 面修饰方法，将能极大地推动有机电子学工艺的发展以及加快其应用的步伐。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种有机单晶场效应晶体管及其制备方法。
[0004] 本发明所提供的有机单晶场效应晶体管，自下而上依次包括：衬底（含栅电极）、 设于所述衬底上的有机半导体，以及垂直设于所述有机半导体之上的源电极和漏电极。
[0005] 上述有机单晶场效应晶体管的结构中，所述衬底为覆盖有SiO2的Si衬底（其中 Si作为栅电极），具体可为覆盖有SiO2的重掺杂的Si衬底，如市售的η型重掺杂的Si02/Si 衬底（商品名氧化/腐蚀单晶硅，购自北京大学微电子工艺实验室），所述覆盖有SiO2的Si 衬底的厚度为l_2mm，所述覆盖有SiO2的Si衬底中，Si材料用作所述有机单晶场效应晶体 管的栅电极，SiO2材料用作所述有机单晶场效应晶体管的绝缘材料，所述Si材料的厚度为 l-2mm，所述SiO2材料的厚度为300-500nm。
[0006] 所述有机半导体是单晶形式。所述单晶的形成方式主要采用溶液滴注法。
[0007] 所述有机半导体采用有机芳香共轭小分子材料，所述有机芳香共轭小分子材料具 体可为9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)。
[0008] 所述有机半导体具体可由9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)单晶构成，所述 9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)单晶的直径为100-500nm，长度为10-40μπι。
[0009] 所述源电极和漏电极均由金属电荷转移复合物制成。
[0010] 所述金属电荷转移复合物为Cu-TCNQ(铜-7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷配合 物）。
[0011] 所述源电极和漏电极分别由单根的Cu-TCNQ-维纳米结构构成。
[0012] 所述Cu-TCNQ-维结构的直径为100-300nm，长度为10-20μm。
[0013] 上述有机单晶场效应晶体管是按照包括下述步骤的方法制备得到的：
[0014]DCu-TCNQ-维纳米结构的制备：
[0015] 将基片进行清洗，将所述基片静置在含7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷（TCNQ) 和氯化铜的乙腈溶液中，将得到的载有Cu-TCNQ的基片取出，然后烘干，在所述基片上得到 Cu-TCNQ-维纳米结构；
[0016] 2)对衬底进行清洗；
[0017] 3)在所述衬底上制备所述有机半导体；
[0018] 4)将两根所述Cu-TCNQ-维纳米结构垂直放置于所述有机半导体上，即完成有机 单晶场效应晶体管的制作。
[0019] 上述方法步骤1)中，所述基片具体可为Zn片，所述基片清洗所用的清洗剂依次为 去离子水、丙酮和异丙醇。所述含7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷（TCNQ)和氯化铜的乙 腈溶液中，7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷（TCNQ)的摩尔浓度为0.l-2mM，氯化铜的摩尔 浓度为〇. 2-4mM，所述静置的时间为0. 5-2小时，所述烘干的温度为70-90°C，所述烘干的时 间为0. 5-1小时。所得Cu-TCNQ-维纳米结构的直径为100-300nm，长度为10-20μm。
[0020] 上述方法步骤2)中，所述衬底为覆盖有SiO2的Si衬底，所述覆盖有SiO2的Si衬 底的厚度为l_2mm，其中，Si材料（栅电极）的厚度为l-2mm，SiO2材料（绝缘层）的厚度 为 300-500nm。
[0021] 所述对衬底进行清洗的具体操作如下：将所述衬底依次用去离子水、丙酮、异丙醇 超声清洗，然后用氮气吹干。
[0022] 上述方法步骤3)中，所述有机半导体具体可为9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ) 单晶一维结构。所述9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)单晶一维结构的直径为100-500nm， 长度为10-40μm。
[0023] 所述在衬底上制备有机半导体的具体操作如下：将9, 10-二（苯乙炔基）蒽 (ΒΕΡΑ)加入氯苯中，超声溶解得到9, 10-二（苯乙炔基）蒽氯苯溶液，将所述9, 10-二 (苯乙炔基）蒽氯苯溶液滴注到所述衬底上，密闭静置，再退火干燥，即在所述衬底上得到 9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)单晶一维结构。其中，所述9, 10-二（苯乙炔基）蒽氯苯 溶液中，9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)的浓度为0.5-2mg/mL。单位面积衬底上滴注的 9, 10-二（苯乙炔基）蒽氯苯溶液的体积为10-30μL。所述密闭静置的时间为1-2天，所 述退火干燥的温度为70-90°C，所述退火干燥的时间为20-40min。
[0024] 本发明具有以下优点和特点：
[0025] 1.上述结构的有机单晶场效应晶体管器件的制作方法都比较简便，制作周期较短 通常只需一个小时左右；
[0026] 2.采用的电极材料成本比较低廉，同时能大量获取；
[0027] 3.上述结构中源漏电极以及半导体材料均为有机单晶材料，提供了新颖的有 机单晶场效应晶体管的构型，同时器件性能与文献Chem.Mater. 2009, 21，2840-2845: Cruciforms:assemblingsinglecrystalmicro-andnanostructuresfromonetothree dimensionsandtheirapplicationsinorganicfield-effecttransistors.中?艮道的 以金薄膜电极作为源漏电极的器件性能相当。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为实施例制备得到的Cu-TCNQ-维纳米结构扫描电子显微镜照片。
[0029] 图2为实施例制备得到的以Cu-TCNQ-维纳米结构为源漏电极的9, 10-二（苯乙 炔基）蒽有机单晶场效应晶体管器件的模型图和实物图，其中a)为模型图；b)为实物图。 其中金为真空蒸镀后转移的薄膜电极，其用作延伸电极以在测试中方便连接探针。此处只 是为了方便探针连接亦可采用其他导电材料替代。
[0030] 图3为实施例制备得到的以Cu-TCNQ-维纳米结构为源漏电极的9, 10-二（苯乙 炔基）蒽有机单晶场效应晶体管的转移曲线和输出曲线，其中，a)为转移曲线；b)为输出曲 线。
【具体实施方式】
[0031] 下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。
[0032] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
[0033] 下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
[0034] 下述实施例中所采用的9，10_二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)分子材料参照文献 Chem.Mater.2009, 21, 2840-2845：Cruciforms:assemblingsinglecrystalmicro-and nanostructuresfromonetothreedimensionsandtheirapplicationsinorganic field-effecttransistors.中的描述进行有机合成制备。
[0035] 下述实施例中所采用的η型重掺杂的Si02/Si衬底的商品名为氧化/腐蚀单晶硅， 购自北京大学微电子工艺实验室。
[0036] 实施例、以Cu-TCNQ-维纳米结构为源漏电极的9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ) 单晶场效应晶体管的制备
[0037] 第一步=Cu-TCNQ-维纳米结构的制备
[0038] 分别用去离子水，丙酮，异丙醇清洗Zn片，将其静置在7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌 二甲烷（TCNQ) (0. 5mM)和CuCl2(ImM)的乙腈溶液中约1小时，将得到的载有Cu-TCNQ的基 片取出，然后放置于80°C的真空干燥箱下约半小时，得到Cu-TCNQ-维纳米结构（直径为 200nm，长度为 15μηι);
[0039] 图1为制备得到的Cu-TCNQ-维纳米结构扫描电子显微镜照片。
[0040] 第二步：清洗η型重掺杂的Si02/Si衬底
[0041] 所述η型重掺杂的Si02/Si衬底中SiO2厚度为300nm，将上述衬底用去离子水、丙 酮、异丙醇超声清洗后氮气吹干；
[0042] 第三步：9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)有机单晶制备
[0043] 配置9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ) (lmg/mL)氯苯溶液，超声溶解后滴注到步骤 二清洗好的衬底上，用封口膜密闭静置约1天，待溶剂完全挥发后，将上述衬底放置于80°C 的真空干燥箱退火干燥约半个小时，即在所述衬底上得到9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ) 单晶一维结构；所述9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)单晶一维结构的直径为500nm，长度 为 30μm。
[0044] 第四步：9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)有机单晶场效应晶体管制备
[0045] 在探针台（Micromanipulator6150probestation)下，通过高分辨率的光学显微 镜，借助针头粗细约为1微米的探针将步骤一得到的Cu-TCNQ-维纳米结构通过范德华力 转移，垂直放置于步骤三得到的9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)单晶分子上。
[0046] 图2为制备得到的以Cu-TCNQ-维纳米结构为源漏电极的9, 10-二（苯乙炔基） 蒽（ΒΕΡΑ)有机单晶场效应晶体管器件的模型图和实物图，其中a)为模型图；b)为实物图。 其中金为真空蒸镀后转移的薄膜电极，其用作延伸电极以在测试中方便连接探针。此处只 是为了方便探针连接亦可采用其他导电材料替代。
[0047] 所述金薄膜电极的厚度为lOOnm，大小为20μmX5μm，其中，蒸镀的真空度为 5XKT4Pa,所述蒸镀的速度为0.5A/S。
[0048] 器件性能测试
[0049] 用keithley4200型半导体测试仪在室温和空气条件下对制备得到的以Cu-TCNQ 一维纳米结构为源漏电极的9, 10-二（苯乙炔基）蒽（ΒΕΡΑ)有机单晶场效应晶体管进行 测试。基于这种结构的有机单晶场效应晶体管迁移率达到了 〇.2^2厂s'开关比达到了 2X106。
[0050] 图3为制备得到的以Cu-TCNQ-维纳米结构为源漏电极的9, 10-二（苯乙炔基） 蒽有机单晶场效应晶体管的转移曲线和输出曲线，其中，a)为转移曲线；b)为输出曲线。
[0051] 由图3可知：制备的该种器件所显示的性能与文献（Chem. Mater. 2009, 21，2840-2845 :Cruciforms:assemblingsinglecrystalmicro-and nanostructuresfromonetothreedimensionsandtheirapplicationsinorganic field-effecttransistors.)中以金薄膜为源漏电极的器件性能相当，从而实现了在保证 器件性能不衰减的前提下，制备源漏电极的成本得以大大降低。
【权利要求】
1. 一种有机单晶场效应晶体管，自下而上依次包括：衬底、设于所述衬底上的有机半 导体，以及垂直设于所述有机半导体之上的源电极和漏电极，其特征在于： 所述源电极和漏电极均由金属电荷转移复合物制成； 所述金属电荷转移复合物为铜一 7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷配合物。
2. 根据权利要求1所述的有机单晶场效应晶体管，其特征在于：所述源电极和漏 电极均由铜一 7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷配合物一维纳米结构构成，所述铜一 7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷配合物一维纳米结构的直径为100-300nm，长度为 10-20 u m〇
3. 根据权利要求1或2所述的有机单晶场效应晶体管，其特征在于：所述衬底为覆盖 有Si02的Si衬底，所述覆盖有Si02的Si衬底的厚度为l-2mm，所述覆盖有Si0 2的Si衬底 中，Si材料的厚度为l-2mm，Si02材料的厚度为300-500nm。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的有机单晶场效应晶体管，其特征在于：所述有机 半导体由9, 10-二（苯乙炔基）蒽单晶构成，所述9, 10-二（苯乙炔基）蒽单晶的直径为 100_500nm，长度为 10-40 um。
5. -种制备权利要求1-4中任一项所述的有机单晶场效应晶体管的方法，包括下述步 骤： 1) 铜一 7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷配合物一维纳米结构的制备： 将基片进行清洗，将所述基片静置在含7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷和氯化铜的 乙腈溶液中，将得到的载有铜一 7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷配合物的基片取出，然后 烘干，在所述基片上得到铜一 7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷配合物一维纳米结构； 2) 对衬底进行清洗； 3) 在所述衬底上制备有机半导体； 4) 将两根所述铜一 7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷配合物一维纳米结构垂直放置于 所述有机半导体上，即完成有机单晶场效应晶体管的制作。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述基片为Zn片，所述基片 清洗所用的清洗剂依次为去离子水、丙酮和异丙醇； 所述含7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷和氯化铜的乙腈溶液中，7, 7, 8, 8-四氰基对 苯二醌二甲烷的摩尔浓度为〇. l_2mM，氯化铜的摩尔浓度为0. 2-4mM，所述静置的时间为 0. 5-2小时，所述烘干的温度为70-90°C，所述烘干的时间为0. 5-1小时； 所得铜一 7, 7, 8, 8-四氰基对苯二醌二甲烷配合物一维纳米结构的直径为100-300nm， 长度为1〇_20 u m。
7. 根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述衬底为覆盖有Si02的Si衬底，所述覆盖有Si02的Si衬底的厚度为l-2mm，其中，Si材料的厚度为l-2mm，Si0 2材料的厚度为300-500nm。
8. 根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于：步骤3)中，所述有机半导体 为9, 10-二（苯乙炔基）蒽单晶一维结构； 所述在衬底上制备有机半导体的具体操作如下：将9, 10-二（苯乙炔基）蒽加入氯苯 中，超声溶解得到9, 10-二（苯乙炔基）蒽氯苯溶液，将所述9, 10-二（苯乙炔基）蒽氯苯 溶液滴注到所述衬底上，密闭静置，再退火干燥，在所述衬底上得到9, 10-二（苯乙炔基） 蒽单晶一维结构； 所得9, 10-二（苯乙炔基）蒽单晶一维结构的直径为100-500nm，长度为10-40 y m。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述9, 10-二（苯乙炔基）蒽氯苯溶液 中，9, 10-二（苯乙炔基）蒽（BEPA)的浓度为0. 5-2mg/mL ;单位面积衬底上滴注的9, 10-二 (苯乙炔基）蒽氯苯溶液的体积10-30 y L ;所述密闭静置的时间为1-2天，所述退火干燥的 温度为70-90°C，所述退火干燥的时间为20-40min。
【文档编号】H01L51/05GK104332558SQ201410448443
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】胡文平, 何亮甫, 甄永刚, 董焕丽, 纪德洋 申请人:中国科学院化学研究所