鞘气辅助喷印柔性有机场效应晶体管及其应用研究

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作为大面积、阵列化柔性电子中重要组成单元,柔性有机场效应晶体管(柔性OFET)在柔性显示、信息通讯、柔性传感等领域应用前景广阔。针对当前静电喷雾、EHD喷印等OFET图案化连续制备技术难以获得高载流子迁移率以及器件工作电压较高等缺陷,本文提出采用鞘气辅助喷印技术制备以聚3-己基噻吩(P3HT)为有源层的柔性OFET,利用喷印时基板拖拽和辅助鞘气对溶液的剪切作用改善P3HT结晶性能,提高器件载流子迁移率,同时以喷印离子凝胶为介电层降低器件工作电压。论文主要围绕柔性OFET结构与材料选择、鞘气辅助喷印工艺、柔性OFET制备与测试和原理性应用验证四个部分展开,论文主要研究内容如下:分析OFET工作原理,考察结构与材料对柔性OFET性能的影响。结合柔性电子阵列化、规模化应用需求,优选顶栅底接触结构;分别选择P3HT和离子凝胶为有源层和介电层以保证高载流子迁移率和低工作电压。仿真分析鞘气辅助喷印工艺对P3HT溶液流变剪切影响作用,确定工艺有效性;搭建鞘气辅助喷印系统,研究工艺参数对P3HT有源层薄膜结晶性能的影响规律。实验结果表明,在1.5-3.5mm/s基板移动速度和0-300Pa气流入口压力下,P3HT结晶性能随基板移动速度和气流入口压力增大而改善。制备柔性OFET器件,分析基板移动速度和气流入口压力对器件载流子迁移率的影响规律,研究结果表明,增加基板移动速度和气流入口压力会提高柔性OFET载流子迁移率。最终在3.5 mm/s基板移动速度和300 Pa气流入口压力下,制备的OFET载流子迁移率最高达2.527±1.194 cm2/(V.s),是传统的~3.5倍,工作电压小于-1.5 V。研制了基于OFET的柔性湿度传感原理性器件、OFET基柔性传感信号放大电路和面向柔性压力传感器的OFET开关阵列,验证了 OFET在信号转换、信号放大和开关电路功能。其中,柔性湿度传感器灵敏度达0.327,且一致性良好,同时演示了其在测量人体呼吸、说话等场景的应用;信号放大电路分别将湿度传感器和压力传感器信号放大了~1.5倍和~2.4倍。论文研究工作表明,鞘气辅助喷印P3HT有源层和喷印离子凝胶介电层有效提高OFET载流子迁移率,降低工作电压,为大面积、阵列化OFET基柔性电子提供了 一种制造方案,进一步推动OFET基柔性电子的工业化应用。
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