一種可編織線狀有機單晶場效應晶體管及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于有機電子領域，具體涉及一種可編織線狀有機單晶場效應晶體管及其 制備方法與應用。
【背景技術】
[0002] 隨著有機電子學/分子電子學的快速發展，柔性可編織設備成為當今電子器件的 主流發展方向，可編織的便攜式應用設備必須具有質量輕、體積小、效率高以及一定的彈 性等特點，然而同時具備以上特性是極具挑戰性的，因此迫切需要在相關領域開展突破性 研究。近些年來有許多制備可編織的線狀微型器件的嘗試并取得了一定的成功經驗，如 復旦大學的彭慧勝課題組設計了一種旋轉平移法，可有效地結合高分子的彈性及碳納米 管的優異電學和機械性能，首次成功制備出了可拉伸的線狀超級電容器（AdvancedMater 2013, 25, 5965 - 5970)。該課題組還通過將取向碳納米管纖維纏繞在一起，制備出真正的自 支撐染色敏化有機太陽能電池（Advanced. Energy Mater 2014, 1301750)。并且這種生產出 來的線狀太陽能電池可以達到目前市面上太陽能電池的發電效率。
[0003] 目前被廣泛研究的場效應晶體管器件基本上都是在傳統的平面狀襯底上實現的， 如圖1所示。該類襯底彈性差且極易斷裂和破損。這在很大程度上阻礙了有機場效應晶 體管在柔性領域的發展。目前為止，關于可編織的線狀場效應晶體管的報道很少。在已 經報道的文獻中普遍存在著器件制作工藝復雜，生產成本高等問題（Advanced Materials 2009,21,573-577 ；Appl.Phys.Lett. 2006? 89, 143515 ；ACS AppL Mater. Interfaces 2012, 4, 6-10.)。這仍需要相關領域科研工作者的不斷探索與研究。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種可編織線狀有機單晶場效應晶體管及其制備方法。該制 備方法基于拼圖技術路線，大批量制備得到了有機單晶場效應晶體管。
[0005] 本發明所提供的制備方法，包括如下步驟：
[0006] 1)于襯底表面涂覆得到絕緣層薄膜，并對所述絕緣層薄膜進行固化處理，得到固 化處理后的絕緣層薄膜；
[0007] 2)將有機單晶轉移至步驟1)中所述固化處理后的絕緣層薄膜上，并于所述有機 單晶的兩端蒸鍍電極（分別得到源極和漏極），得到平面器件；
[0008] 3)將步驟2)中所述平面器件轉移至柔性線狀金屬（柵極）上，得到可編織線狀有 機單晶場效應晶體管。
[0009] 上述制備方法中，步驟1)中，所述襯底具體可為硅片，所述硅片在使用之前，還包 括對其進行十八烷基三氯硅烷（OTS)修飾的步驟（便于更好地揭起所述絕緣層薄膜），具 體步驟如下：①將切割后的硅片依次置于丙酮、鉻酸洗液里清洗，再用氮氣吹干；②對硅片 進行羥基化：將經步驟①處理后的硅片于食人洗液（體積比為7:3的濃硫酸和過氧化氫的 混合溶液）中浸泡20~40min (具體可為0. 5h)，再取出娃片，并用去離子水沖洗數遍；③ 對硅片進行OTS修飾：將經步驟②處理后的硅片于體積分數為0. 005-0. 015% (具體可為 0. 01% )的OTS的正庚燒溶液中浸漬8~15min(具體可為IOmin);再用三氯甲燒浸泡清 洗；最后，于水中超聲后，用用氮氣吹干備用。
[0010] 所述絕緣層薄膜具體可為聚苯乙烯（PS)，厚度為200-300nm。
[0011] 所述涂覆具體可通過將質量分數為2% -5% (具體可為2% )的PS甲苯溶液滴 到放置于勻膠機轉盤上的襯底表面后，靜置5~15s (經過OTS修飾，絕緣層不易于絕緣層 貼合，靜置增加了絕緣層與襯底的貼合性，利于下一步的旋涂）；再將勻膠機的轉速設置在 3500-4500r/min (具體可為4000r/min)，旋涂時間為35s-45s (具體可為40s)。
[0012] 所述固化處理的溫度為70°C~100°C，時間為5min~30min。
[0013] 上述制備方法中，步驟2)中，所述有機單晶具體可為酞菁銅單晶納米線或酞菁鋅 單晶納米線，所述有機單晶的長寬比為40-80(具體可為70)，直徑為0. 2 μ m-0. 5 μ m。通常 選取選取顏色均一，結晶質量好的的有機單晶納米線。
[0014] 所述有機單晶的個數至少為1個。當所述有機單晶的個數為2個及以上時，所述 有機單晶既可位于同一個所述平面器件中，也可位于不同的所述平面器件中。
[0015] 所述轉移可通過機械探針來實現。
[0016] 所述蒸鍍具體為真空掩膜蒸鍍，所述真空掩膜蒸鍍的具體條件如下：真空度為 10 6-10 7torr (具體為10 6torr)、蒸鍍速率為0. 01-0. 02nm/s (具體為0. 01nm/s)，掩膜具體 為金膜。
[0017] 所述電極為源極和漏極，所述源極的厚度為30-35nm(具體可為30nm)，所述漏極 的厚度為30-35nm (具體可為30nm)，所述源極和漏極的間距為10-20 μ m，所述電極的材料 為金。
[0018] 所述蒸鍍之后，還包括利用探針進行分割的步驟，從而得到形狀規則，大小適合的 多個可轉移平面器件。
[0019] 上述制備方法中，步驟3)中，所述柔性線狀金屬具體可為金絲，所述金絲的直徑 為15-20 μ m(如15 μ m)，所述金絲在使用之前，還包括對其依次進行清洗、固定和氧等離 子體處理的步驟，其中，所述清洗具體可將直徑為15-20 μm的金絲于體積分數為30-37% (具體可為37% )的濃鹽酸中浸泡20-40min (具體可為30min)，取出后用去離子水沖洗數 遍，再于去離子水中超聲5-15min (具體可為IOmin);所述固定具體可將所述清洗后的金絲 用導電銀膠將金絲固定于載玻片上，保證金絲處于伸直狀態；所述氧等離子體處理的條件 具體如下：功率為50-70W(具體可為60W)，時間為5-20min (具體可為IOmin)，氣體流速為 6-lOsccm (具體可為 8sccm)。
[0020] 所述轉移可通過機械探針來實現。轉移前，先用機械探針將切割好的步驟2)所得 平面器件搓起一角，然后用蘸取少量雙面膠的機械探針粘起所述平面器件；再轉移至所述 處理后的金絲（襯底）柵極上，即得到了可編織線狀有機單晶場效應晶體管（OFET)。
[0021] 在轉移過程中要保證有機單晶（如酞菁銅納米線）與金絲嚴格平行并且平面器件 盡M避免出現裙皺。
[0022] 本發明的再一個目的是提供上述方法所制備得到的可編織線狀有機單晶場效應 晶體管。
[0023] 此外，本發明所制備得到的可編織線狀有機單晶場效應晶體管在便攜式、可穿戴 電子產品中的應用也屬于本發明的保護范圍。
[0024] 上述應用中，所述電子產品為嵌入式電路、傳感器或光控開關等。
[0025] 本發明提供的基于拼圖技術路線制備可編織的線狀有機單晶場效應晶體管的方 法，還可以拓展到有機電子邏輯電路領域。
[0026] 與現有技術相比，本發明具有如下優點：
[0027] ①本發明預先在平面狀襯底上制備有機單晶場效應晶體管器件，這樣可以保證有 機半導體與電極和絕緣層完全貼合；
[0028] ②本發明以可編織的線狀襯底代替了傳統的平面狀襯底，制備了一種可編織的線 狀有機場效應晶體管，制備方法簡單，同時具有優異的機械性能和柔韌性，能夠方便的進行 編制和集成到其他織物上。
[0029] ③本發明相較于已報道的可編織的線狀器件而言。具有制作工藝簡單，成本低廉 等優勢，產品具有質量輕、柔性、可編織的特點，尺寸更小，利于集成化，可以應用于可植入 體內的探測設備。在很多領域如便攜式、可穿戴智能化的電子產品中擁有廣闊的發展前景 和應用潛力。
[0030] ④已報道的可編織的線狀有機場效應晶體管都是以薄膜作為活性層的器件，而本 發明以有機微納單晶作為活性層有利于制備高性能的器件。
[0031] ⑤本發明提供的制備方法可以實現在同一根金絲（柵極）襯底上多個器件的制 備，已報道的線狀場效應晶體管尺寸較大，且制備方法比較復雜，多為薄膜器件，而本發明 基于拼圖技術路線的制備方法，可實現批量制備、采用微納單晶在15 μm的金絲實現制備。
【附圖說明】
[0032] 圖1為現有的傳統的平面狀襯底的場效應晶體管結構示意圖。
[0033] 圖2為本發明可編織的拼圖式線狀有機單晶場效應晶體管結構示意圖。
[0034] 圖3為實施例1中OTS修飾的硅片上制備的蒸鍍器件分割后的結構示意圖（圖 3(a))和分割后單體器件顯微鏡圖（圖3(b))。
[0035] 圖4為實施例1中依次進行清洗、固定和氧等離子體處理后的金絲（柵極）襯底的 掃描電鏡圖（圖4(a))和在同一根金絲（柵極）襯底上制備多個器件的光學顯微鏡圖（圖 4(b)) 〇
[0036] 圖5為實施例1中制備的可編織的拼圖式線狀有機場效應晶體管的光學顯微鏡圖 (透射）（圖5(a))和掃描電鏡圖（圖5(b))。
[0037] 圖6為實施例1中制備的可編織的拼圖式線狀酞菁銅微納單晶場效應晶體管的轉 移曲線圖（圖6(a))和輸出曲線圖（圖6(b))。
[0038] 圖7為實施1中可編織的拼圖式線狀有機場效應晶體管的柔韌性展示的顯微鏡 圖。
[0039] 圖8為實施1中可編織的拼圖式線狀有機場效應晶體管應用到其他形狀織物的顯 微鏡圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面通過具體實施例對本發明的方法進行說明，但本發明并不局限于此。
[0041] 下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如 無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
[0042] 下述實施例中所用的酞菁銅的微納單晶是通過物理氣相輸運法制備得到，具體制 備過程如下：將原材料酞菁銅（選用的原材料是已經經過四次升華提純后的）置于本實驗 室自行研制的兩端控溫的全透明電阻管式爐中，氮氣針閥調整流量為2〇-3〇 SCCm，向爐內通 入高純度氮氣（作為載氣），管式爐內載氣壓強為25~30pa，將爐內高溫區溫度在30min 內從室溫升至290°C，并于290°C下恒溫加熱120min，最后，于低溫區（全透明電阻管式爐是 通過加熱絲的疏密來調節溫度梯度的，低溫區是一個相對概念）獲得藍紫色的酞菁銅微納 單晶納米線，其直徑為〇· 2~0· 7 μ m，長度為15~50 μ m。
[0043] 下述實施例中所制備得到的可編織的