交联型高介电常数聚合物的制备及其低驱动薄膜晶体管研究

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利用高介电常数材料制备薄膜晶体管,能够有效降低其驱动电压,是目前高性能、低功耗电子电路领域研究焦点。然而,传统的高介电常数材料,如陶瓷和金属氧化物,需要光刻、高温加工过程,既增加了成本、降低了材料利用率,也限制了其在柔性电子器件中的应用。尽管部分聚合物材料具有较高的介电常数,但线型的分子结构使其易被溶剂破坏,不利于制备多层集成器件。所以设计和制备可低温交联的高介电常数聚合物材料是当务之急,并有望实现多层电子电路的柔性化、低功耗和可印刷集成。本课题通过在分子结构中引入极性基团,调控聚合物介电常数,并通过低温交联法获得耐溶剂型介电薄膜,实现了薄膜晶体管的低温制备和低电压驱动。选用含-CN的丙烯酸2-氰乙酯为主要单体(CEA),1,6-己二醇二丙烯酸酯为间隔剂(HDDA),异氰脲酸三烯丙酯(TAIC)为交联剂,在大气氛围和室温条件下制备了交联型聚(丙烯酸2-氰乙酯-1,6-己二醇二丙烯酸酯)(C-P(CEA-co-HDDA)),对其电学性能进行表征并应用于薄膜晶体管。主要研究工作如下:交联高介电常数聚合物的低温制备。通过对光引发时间、水浴加热时间、光固化时间等实验参数的优化制备了不同单体比例的C-P(CEA-co-HDDA);并利用X射线衍射仪(XRD)、热失重分析仪(TGA)和原子力显微镜(AFM)等表征手段对其结晶性、热分解性和表面形貌等性质进行了分析研究。实验结果证明C-P(CEA-co-HDDA)不仅是一种非晶聚合物;同时还具有高的热分解温度,随着聚合物交联度的不同,其起始分解温度在238~299℃之间。通过溶液旋涂法制得的聚合物薄膜展示出无孔致密、均一光滑的形貌结构;此外,利用选择性紫外线曝光可以形成不同分辨率的聚合物图案,最高分辨率可以达到2μm。交联高介电常数聚合物的电学性能表征及机理分析。以金属电极-聚合物-导电硅片(MIS)电容器为基础探索了不同成分C-P(CEA-co-HDDA)的电学性能。研究发现10~3 Hz时C-P(CEA-co-HDDA)展示出7.49~9.76的高介电常数,同时介电损耗角正切小于0.06,聚合物高的介电常数不仅来源于体系中的-CN基团,交联剂TAIC对介电常数也有一定程度的贡献。除此之外,随着聚合物交联度的增加,聚合物分子链的运动被限制,介电常数与温度的依存性被减弱;同时聚合物的电滞回线越来越趋于线性。交联高介电常数聚合物在低驱动薄膜晶体管中的应用。以C-P(CEA-co-HDDA)-6-4作为介电层制备了多种半导体(IGZO、Mo S2、PDPP2T-TT-OD、C8-BTBT、Ph-BTBT-10)基薄膜晶体管,并对其器件性能进行分析测试。结果显示制备的薄膜晶体管均显示出良好的性能且实现了低的驱动电压(<10 V),说明C-P(CEA-co-HDDA)-6-4不仅能实现薄膜晶体管的低压驱动,同时对不同的半导体具有良好的适应性。除此之外,制备过程中多种半导体加工工艺(磁控溅射、溶液旋涂、溶液刮涂)的使用证明C-P(CEA-co-HDDA)-6-4能适应复杂多样化的器件加工工艺,这对未来大面积电子器件的制备具有重要意义。本课题使用光引发-水浴加热-光固化的方法高效温和地制备一系列交联聚合物薄膜并探究其介电性质和在薄膜晶体管中的应用。研究发现通过调节聚合体系的投料比可以获得不同大小的介电常数;改变聚合的单体种类,介电常数的可调节范围进一步增大。此外,随着交联度的增加,聚合物分子链受限程度越高,介电常数的温度依存性减弱,电滞回线趋于线性。以制备的交联聚合物为介电层构筑的多种半导体基的薄膜晶体管均展示出良好的性能和低驱动电压的特征。本课题为未来便携式柔性化电子器件的大面积廉价化制备提供了新的可能性。
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