具有噴墨打印圖案電極的高性能、全溶液處理的有機(jī)納米線晶體管陣列

2021-09-01 15:20 睿度光電RUIDU
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利用噴墨打印可提供一種低成本，高產(chǎn)量，簡(jiǎn)單的辦法來(lái)制造高性能的有機(jī)納米線晶體管陣列。通過(guò)將浸涂工藝與噴墨工藝（Jetlab Ⅱ）相結(jié)合，有機(jī)納米線晶體管陣列可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.26cm2· V-1·S-1的FET遷移率，達(dá)到了與帶有蒸發(fā)電極的器件相當(dāng)?shù)乃健?/span>




納米/微細(xì)有機(jī)單晶晶體管由于其高結(jié)晶度而具有高遷移率，因此在電子領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，受到了人們的廣泛關(guān)注。但是，如何使用此項(xiàng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有2大困難：如何將有機(jī)納米線圖案化成大面積的對(duì)齊陣列，以及如何在低溫下以簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效的方式為此類陣列制造電極。由此，一種全溶液處理方法被提出——將有機(jī)納米線組裝成對(duì)齊的陣列，并在陣列頂部完成S/D電極。對(duì)齊的有機(jī)納米線陣列通過(guò)浸涂進(jìn)行圖案化，S/D電極通過(guò)Jetlab Ⅱ噴墨打印導(dǎo)電聚合物（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT/PSS）（圖1）進(jìn)行圖案化。通過(guò)將浸涂工藝與噴墨工藝相結(jié)合，有機(jī)納米線晶體管陣列實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.26cm2· V-1·S-1的FET遷移率，達(dá)到了與帶有蒸發(fā)電極的器件相當(dāng)?shù)乃健?/span>

▲ 圖1 在有機(jī)納米線上噴墨打印 S/D 電極的示意圖。

在納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管（NW FET）上打印電極的挑戰(zhàn)是難以獲得窄的通道長(zhǎng)度（S和D之間的間隙）。為了在保持Dp不變的同時(shí)減少通道長(zhǎng)度，實(shí)驗(yàn)中在每個(gè)S/D位置打印了三滴。由于液滴的擴(kuò)散主要是由動(dòng)能驅(qū)動(dòng)的，所有的液滴都是一樣的，因此后續(xù)液滴不會(huì)擴(kuò)散到前一液滴的擴(kuò)散邊界之外。結(jié)果是，3個(gè)重疊液滴的**擴(kuò)散半徑仍約為35μm。在隨后的干燥過(guò)程中，由于材料的體積增加了2倍，驅(qū)動(dòng)液滴的半徑增加到25μm。從3D照片（圖2b,d中的插圖）中可以清楚地看到，雖然單滴電極和三滴電極的表面輪廓幾乎相同，但是三滴電極的半徑遠(yuǎn)大于單滴電極，如圖2c,d所示，形成30μm的間隙。

▲ 圖2 （a, c, e）噴墨打印的S/D電極和通道長(zhǎng)度的示意圖和（b, d, f）實(shí)際照片。（a, b）每個(gè)電極噴射一滴；（c, d）每個(gè)電極噴射三滴；（e, f）為每個(gè)電極噴射三滴，延遲為2ms。在噴墨打印期間將基材加熱至40℃。Ds是液滴擴(kuò)散的**半徑。Rd是液滴干燥后的最終半徑。Dp是S和D噴射位置之間的距離。（b和d的插圖）打印電極的3D照片。

如上圖所示，通道長(zhǎng)度主要由Ds和Rd決定，為了避免電極短路，Dp應(yīng)大于2Ds。如果在**個(gè)電極干燥后再打印第二個(gè)電極，則Dp和間隙可以減小。如圖2e,f所示，在每次液滴噴射之間延遲了2ms，并將Dp縮短到70μm。最終的通道長(zhǎng)度減少到20μm。進(jìn)一步縮小電極間隙，其性能可能會(huì)進(jìn)一步提高。


參考文獻(xiàn)：

[1] Liu N ,   Zhou Y ,   Ai N , et al. High-performance, all-solution-processed organic nanowire transistor arrays with inkjet-printing patterned electrodes.[J]. Langmuir the Acs Journal of Surfaces & Colloids, 2011, 27(24):14710-5.


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