光刻辅助图案化精确定位有机单晶微米线阵列的制备及其器件应用研究

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最近有机小分子微纳晶体受到越来越广泛的关注。相比于无机材料,有机微纳晶体具有制备简单、良好的光电性能、适用于柔性器件等特点,对于构筑下一代价格低廉、高性能、可穿戴的器件具有很大的潜力。在实际的器件应用中例如构筑集成器件或逻辑电路时,要求有机微纳晶体能选择性地精确定位在特定的区域,这有利于减少材料的消耗、降低成本,同时能降低器件之间的干扰以提高器件性能。然而传统制备有机微纳晶体的方法大多数只能获得悬浮于溶液中的微纳米线或附在基底上具有一定方向性的晶体阵列,而不能图案化精确定位晶体的生长位置。而目前精确定位有机微纳晶体的方法大多面临工艺复杂,分辨率小或晶体质量不高等问题。因此随着器件应用的发展,如何简单高效地制备图案化精确定位的有机微纳晶体显得至关重要。基于此,本论文着重研究了用光刻辅助制备精确定位图案化有机单晶微米线阵列及其在相应器件中的应用。此外,本论文还发展了金属辅助光刻法实现在不浸润光刻胶的疏水绝缘层表面制备空气稳定的高集成度有机场效应晶体管(OFET)。一、光刻胶模板辅助提拉法精确定位TIPS-PEN有机单晶微米线阵列的制备及其在有机场效应晶体管的应用用光刻胶模板辅助结合提拉法来制备精确定位生长的TIPS-PEN单晶微米线阵列。首先在SiO2/Si基底上通过光刻得到周期性排布的光刻胶条纹,然后将基底浸入TIPS-PEN/CH2Cl2溶液中并匀速向上提拉,提拉过程结束后获得沿光刻胶条纹边缘精确定位生长的TIPS-PEN微米线。微米线的形貌以及结晶性受到提拉速度的影响,优化提拉速度可以得到表面光滑,宽度和厚度均匀的TIPS-PEN单晶微米线阵列。通过设计不同的光刻胶模板,能实现不同周期性和复杂图案的TIPS-PEN微米线。同时这种方法还适用于其他有机小分子材料。基于TIPS-PEN单晶微米线阵列的OFET器件表现出了优异的性能,器件具有低阈值电压和高迁移率,最高迁移率达到3.5cm2v-1s-1,同时器件具有高的工作稳定性。光刻胶模板辅助提拉法能获得大面积均匀的精确定位生长的有机小分子单晶阵列,这在未来的集成电路等实际应用中具有很大的潜力。二、光刻胶模板辅助精确定位有机单晶p-n结微米线阵列的制备及其在双极性场效应晶体管和反相器的应用有机p-n结微纳晶体被广泛应用于制备双极性ofet。然而传统制备有机p-n结微纳晶体的方法只能获得单个p-n结微纳米线或沿一定生长方向的p-n结阵列,无法精确定位p-n结的生长,这不利于有机p-n结在大规模器件中的应用。用光刻胶模板辅助以p型dif-tes-adt和n型bpe-ptcdi为原料可以制备单晶p-n结微米线阵列。将p型和n型材料配成混合溶液,滴在模板上在饱和蒸汽环境缓慢结晶。获得的p型微米线沿光刻胶边缘生长,n型微米线紧贴p型微米线生长,从而构成定位生长的p-n结微米线阵列。p-n结微米线阵列具有单晶性质,基于此构筑的双极性ofet器件表现出了优异的性能,最高电子迁移率达到0.43cm2v-1s-1,最高空穴迁移率达到0.32cm2v-1s-1。同时该方法还能实现在柔性pen基底上制备p-n结微米线阵列,并构筑柔性双极性ofet器件。另外基于p-n结微米线阵列的高性能反相器也成功制备。该方法能大面积精确定位生长有机p-n结微米线阵列,这将有望在未来的有机发光晶体管和互补逻辑电路等中得到重要的应用。三、不浸润光刻胶的疏水绝缘层表面制备空气稳定的高集成度有机场效应晶体管环境稳定性是高性能ofet最重要的参数之一。疏水绝缘层通常比传统无机绝缘层和亲水的有机绝缘层具有更高的空气稳定性,适合用来制备环境稳定的ofet器件。然而由于很多疏水绝缘层表面不浸润光刻胶,导致无法通过光刻技术在不浸润光刻胶的疏水绝缘层的表面制备高集成度的器件。本工作发展了一种简单的金属辅助光刻法可实现在不浸润光刻胶的绝缘层表面制备大规模高集成度ofet器件。在不浸润光刻胶的绝缘层上蒸镀一层铜做牺牲层,然后在铜层上进行光刻,分辨率和均匀性近似于传统光刻。这种方法具有很强的可靠性和普适性,在CYTOP,PDMS和OTS/SiO2这三种不浸润光刻胶的疏水绝缘层上均可构筑得到高集成度的OFET器件。另外在CYTOP表面构筑了基于DCP微米线的性能良好的OFET器件。同时器件具有显著的空气稳定性,经过24天之后,以CYTOP为绝缘层的器件迁移率仅有微弱的衰减,而以PVP和SiO2为绝缘层的器件迁移率均有很明显的衰减。另外,金属辅助光刻法还能用于制备柔性器件,在PEN基底上得到的OFET器件具有良好的弯曲稳定性。本工作的金属辅助光刻法对制备稳定的高集成度有机光电器件具有广阔的应用前景。
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