有机场效应管制备与研究

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有机场效应管(OFET)与传统晶体管相比具有低成本、可弯曲等优点,在大面积柔性显示、传感器等领域具有广阔的应用前景。降低OFET成本的有效途径是全溶液法工艺的开发,主要包括溶液法制备有机半导体膜、有机栅介质膜等。在聚合物栅介质材料方面,常见的有聚酰亚胺(PI)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。其中,PVP具有较高的介电常数,可以制备较大的单位面积栅电容,有利于降低OFET的工作电压。但是溶液法制备的PVP栅介质膜在厚度小于30nm时,漏电流密度很大,因此,研究低漏电超薄PVP栅介质膜工艺对全溶液法制备OFET及其应用是非常关键的工作之一。溶液法制备PVP栅介质膜、改善漏电流的方法有很多,如添加不同的交联剂、改变交联剂的质量百分数,制备PVP/PMMA复合膜以及添加修饰层等,对溶液旋涂和退火工艺的改善却鲜有涉及。本文另辟蹊径,探讨的重点集中在PVP栅介质膜制作工艺的优化改进,以此来制备超薄的低漏电PVP膜,主要分一下几个内容:(1)溶剂蒸汽辅助旋涂对PVP介质膜旋涂的影响。为了能够制备出更薄的栅介质薄膜,本文在溶液旋涂的基础上,使用了溶剂蒸汽辅助旋涂工艺。首先选择PGMEA为溶剂,选用PMF为交联剂配制成交联PVP前驱液,并使用溶液旋涂法在P型硅片上制备交联PVP前驱体,控制整个旋涂过程处于可密闭的有机溶剂蒸汽环境,发现用无水乙醇蒸汽辅助旋涂工艺后,使用高浓度的交联PVP前驱液能够制备得到更小的PVP栅介质膜厚度,获得了更高的单位面积栅电容。尤其是改进工艺后,使用2wt%质量百分比的交联PVP前驱液时,能够制作出最小为10nm厚度的栅介质薄膜,其单位面积电容能够达到442nF/cm2(交联PVP的介电常数测定结果为5.0)。(2)溶剂蒸汽辅助退火对PVP介质膜退火的影响。考虑到介质层的表面形貌严重制约着有机场效应管的性能,而且发现,在进行无水乙醇蒸汽辅助旋涂之后,PVP前驱体薄膜的表面形貌发生了无规则的变化,因此需要在得到更薄栅介质膜的同时,能够降低其表面粗糙度。本文在介质膜真空退火之前,进行辅助退火预处理,设置此预处理处于密闭的有机溶剂蒸汽环境,对比了不同有机溶剂处理下的效果,发现苯甲醚在室温下的饱和蒸汽压适中,对PVP前驱体表面的处理效果优良,AFM测试表明苯甲醚蒸汽辅助退火能够使薄膜表面粗糙度有明显的改善,介质膜的漏电流也有明显的改善。实验中控制苯甲醚蒸汽辅助退火的时间为21分钟,经过真空退火后,PVP介质薄膜的平均表面粗糙度由0.36nm降到了0.21nm,空间电荷限制电流法(SCLC)的分析结果表明薄膜体内陷阱密度减少了26%。
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