基于三明治复合绝缘层构筑高稳定性有机场效应晶体管

本发明涉及了一种基于三明治复合绝缘层构筑高稳定性有机场效应晶体管，属于有机电子领域。

背景技术：

1、有机场效应晶体管（organic field-effect transistor，ofet）具有质量轻便、本征柔性、材料来源广、可溶液加工以及成本低等优势，在射频识别、驱动电路和传感器等领域具有重要的应用前景。近年来，ofet发展迅速，器件迁移率已经可与多晶硅媲美，逐步满足实际应用的需求。但是，器件在长时间操作或保存过程中，其电学性质仍然易受环境因素（如水、氧气、光照等）或材料自身聚集态结构变化的影响，稳定性难以满足实际应用的需求。诺贝尔物理奖得主herbert kroemer教授曾在其获奖发言中谈到“界面即器件”，有机场效应晶体管的电荷积累和输运过程都发生在界面处，因此界面处的接触质量和能级匹配程度对器件稳定性有着深远的影响。

2、研究者们探究了有机场效应晶体管的失稳机制（ sci. adv.2021, 7, eabf8555； nat. commun.2024, 15, 626），同时开发了一系列增稳策略（ nat. commun. 2022, 13,1480； adv. mater. 2023, 35, 2306975； nat. mater. 2024, 23, 1268； sci. adv. 2023,9, eadj4656； adv. mater. 2024, 36, 2400089； acs appl. mater. interfaces. 2022,14, 13584）。目前,提高有机场效应晶体管稳定性的方法及存在的问题如下：（1）材料改性。通过化学修饰引入共轭侧链或官能团，提高材料的结晶度和分子间相互作用力；使用交联剂或聚合物网络来增强有机半导体层的机械强度和化学稳定性。但是，化学修饰可能会影响材料的电学性能，需要平衡稳定性和电学性能之间的关系；交联过程可能会引入杂质，影响器件的纯度和性能。（2）界面工程。在有机半导体层与电极之间引入缓冲层，减少界面缺陷和陷阱态；采用自组装单层（self-assembled monolayers, sams）或功能化界面层来改善界面接触。但是，缓冲层的选择和制备工艺复杂，可能增加制造成本；自组装单层的均匀性和覆盖率难以控制，可能影响器件的一致性。（3）封装技术。使用高性能封装材料来防止水分和氧气的侵入，从而提升器件的环境稳定性。但是，封装层的厚度和均匀性难以控制，可能影响器件的灵活性，且多层封装结构增加了制造复杂性和成本。（4）掺杂与退火处理。引入掺杂剂以提高载流子迁移率和稳定性；通过热退火处理优化有机半导体层的结晶结构，减少缺陷态。但是，掺杂浓度的控制和均匀性是一个难题；退火温度和时间的选择需要优化，过高的温度可能损坏有机材料。

3、当下，稳定性问题仍是制约有机场效应晶体管发展的关键因素，进一步限制了其商业化进程。因此，需要提供一种构筑高稳定性有机场晶体管的方法，这种方法不仅要保证整个器件稳定性高，而且还要方法简单、易操作、成本低便于工业化生产。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于三明治复合绝缘层的方法构筑具有高稳定性的有机场效应晶体管器件及器件阵列，通过三明治复合绝缘层的方法优化绝缘层和半导体层接触的界面，改善在绝缘层表面沉积的有机半导体层的质量，以形成好的载流子注入效果，利于获得高稳定性器件。

2、本发明提供的制备方法既没有破坏绝缘层本身的性质，且层层制备方法简单、易操作、成本低；本发明也可成功制备大面积柔性有机场效应晶体管阵列，有利于工业化生产。

3、本发明提供的基于三明治复合绝缘层构筑的高稳定性的有机场效应晶体管，由下至上依次为栅电极、三明治复合绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极；

4、所述三明治复合绝缘层的结构为：由下至上依次是聚合物绝缘层1、聚合物绝缘层2和单分子修饰层。

5、本发明高稳定性的有机场效应晶体管中，所述聚合物绝缘层1的材质为紫外固化胶如noa72，或环氧树脂如su8 (pc-1040, gersteltec)光刻胶；

6、所述聚合物绝缘层2的材质为弹性绝缘材料；如有机硅、聚二甲基硅氧烷、聚甲基硅氧烷；所述单分子修饰层的材质为十八烷基三氯硅烷或六甲基二硅氮烷；

7、所述三明治复合绝缘层的厚度为0.5 μm~3 μm，其中，所述聚合物绝缘层1的厚度可为0.4 μm~2.5 μm，所述聚合物绝缘层2的厚度可为0.1 μm~0.5 μm，所述单分子修饰层的厚度可为2 nm~3 nm；

8、本发明高稳定性的有机场效应晶体管中，所述有机半导体层的材质为二萘并[2,3-b:2’,3’-f]噻吩并[3,2-b]噻吩(dntt)、2,9-二苯基二萘并[2,3-b:2',3'-f]噻吩并[3,2-b]噻吩(2,9-dph-dntt)、2,9-二癸基二萘并[2,3-b:2',3'-f]噻吩并[3,2-b]噻吩(c10-dntt)、2,9-二辛基萘并[2,3-b]石脑油[2'，3'：4,5]噻吩并[2,3-d]噻吩(c8-dntt)；

9、所述有机半导体层的厚度为20～100 nm；

10、所述栅电极的厚度为30~50 nm。

11、本发明还提供了所述有机场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：

12、s1、在衬底上制备所述栅电极；

13、所述衬底可为硬质衬底，如硅、二氧化硅或玻璃，也可为柔性衬底，如聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二酯；

14、s2、在所述栅电极上制备所述三明治复合绝缘层；

15、s3、在所述三明治复合绝缘层上沉积所述有机半导体层；

16、s4、在所述有机半导体层上沉积金属得到所述源电极和所述漏电极。

17、本发明制备方法中，制备所述栅电极之前，在所述衬底上修饰十八烷基三氯硅烷；

18、采用液相法或气相法修饰所述十八烷基三氯硅烷；

19、所述液相法的步骤如下：

20、将清洗后的所述衬底静置于浓硫酸与过氧化氢混合溶液中，然后进一步清洗所述衬底，再将所述衬底静置于正庚烷与十八烷基三氯硅烷的混合液中；即在所述衬底表面修饰十八烷基三氯硅烷；

21、所述气相法的步骤如下：

22、将清洗后的所述衬底经氧等离子体处理（如：功率为100 w，时间为30 s）后，放入真空干燥箱内；所述真空干燥箱中放置所述十八烷基三氯硅烷；加热所述真空干燥箱，当所述真空干燥箱降至室温时，取出所述衬底后再置于三氯甲烷中超声处理，即在所述衬底表面修饰十八烷基三氯硅烷。

23、本发明制备方法中，步骤s2中，制备所述三明治复合绝缘层的步骤如下：

24、1）将紫外固化胶或环氧树脂旋涂于所述栅电极，经固化得到所述聚合物绝缘层1；

25、2）将弹性绝缘材料旋涂于所述聚合物绝缘层1上，经固化得到所述聚合物绝缘层2；

26、3）采用十八烷基三氯硅烷或六甲基二硅氮烷对所述聚合物绝缘层2进行单分子层修饰，得到所述单分子修饰层。

27、优选地，步骤1）中，固化紫外固化胶薄膜的条件为：紫外曝光的波长为365 nm，功率为100 mj/cm2，曝光的时间为80～200 s；

28、固化环氧树脂薄膜的条件为：烘烤温度为65～175℃，烘烤时间为30～180分钟；紫外曝光的波长为365 nm，功率为100 mj/cm2，曝光时间为5～60 s；

29、优选地，步骤2）中，固化弹性绝缘材料层的条件为：温度为70～100 ℃，时间为30～60分钟；

30、优选地，步骤3）中，采用气相法制备所述单分子修饰层；

31、所述气相法的步骤如下：

32、将所述聚合物绝缘层2进行氧等离子体处理（功率为100 w，时间为30 s），然后置于真空干燥箱中，并在所述真空干燥箱内放入所述十八烷基三氯硅烷或所述六甲基二硅氮烷；加热所述真空干燥箱后取出器件，再在所述聚合物绝缘层2表面浇筑上pdms溶液，固化后剥离pdms。

33、所述单分子修饰层材料；将真空干燥箱加热（温度为70～90 ℃）后取出器件，在取出后的器件绝缘层表面浇筑上pdms溶液（pdms：交联剂=1：10，体积比），随后在70～100 ℃下固化10～20分钟后取出，然后将pdms从绝缘层表面剥离。

34、本发明进行单分子层修饰的目的是改善在其表面沉积的有机半导体层的质量，以形成好的载流子注入效果，以利于获得高稳定性器件。

35、本发明制备方法中，步骤s3中，采用气相真空热沉积所述有机半导体；

36、步骤s4中，采用真空蒸镀的方式制备所述源电极和所述漏电极。

37、基于所述高稳定性柔性有机场效应晶体管形成的高稳定性柔性有机场效应晶体管阵列也属于本发明的保护范围。

38、本发明提供一种基于三明治复合绝缘层构筑高稳定性的有机场效应晶体管器件及其器件阵列及制备方法；通过三明治复合绝缘层的方法优化了绝缘层和半导体层接触的界面，改善了在绝缘层表面沉积的有机半导体层的质量，以形成好的载流子注入效果，利于获得高稳定性器件。本发明提供的制备方法既没有破坏绝缘层本身的性质，且层层制备方法简单、易操作、成本低；对于晶体管稳定性的提升具有明显的效果；本发明具有普适性也可成功制备大面积柔性有机场效应晶体管阵列，有利于工业化生产。