[发明专利]全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体晶体管器件的制备方法，尤其涉及印刷纳米电子领域的制备电子器件的方法。

背景技术

印刷电子技术是最近3年来才在国际上蓬勃发展起来的新兴技术与产业，印刷电子技术的发展已受到全世界人们的广泛关注，成为当今多学科交叉、综合的前沿研究热点。为了构建印刷电子元器件以及开发其相关应用，高性能新型印刷电子墨水的研制成为印刷电子技术最关键的技术之一，使得印刷墨水的制备以及新工艺的开发已成为现代印刷电子领域的热点和难点。印刷半导体电子器件的性能在很大程度上由半导体材料固有的性质决定。然而各种半导体材料在构建不同的印刷电子器件时都会存在一些不足。与其他半导体材料相比，半导体碳纳米管不仅尺寸小、电学性能优异、物理和化学性质稳定性好，而且碳纳米管构建的晶体管等电子元件具有发热量更少以及运行频率更高等优点，同时碳纳米管容易实现溶液化，因此半导体碳纳米管被认为是构建高性能可印刷薄膜晶体管器件最理想的半导体材料之一。这使得印刷碳纳米管电子器件构建，尤其是印刷碳纳米管薄膜晶体管器件的构建及其应用已成为当今科学界研究的热点之一。为了得到高性能印刷电子器件，高性能可印刷半导体碳纳米管的墨水制备和相应的印刷工艺就显得尤为重要。印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管器件和该器件的应用一直是本技术领域的热点和难点。随着各种高质量可印刷碳纳米管的出现和新型印刷工艺的发展，印刷碳纳米管薄膜晶体管器件性能在不断提高，并在朝大面积、柔性化和全印刷方向蓬勃发展。

晶体管由源电极、漏电极、栅电极、有源层和介电层五部分构成，为了得到全印刷碳纳米管薄膜晶体管器件，通常至少需要三种或三种以上可印刷墨水，即电极墨水(如银墨水)、半导体碳纳米管墨水和介电墨水，然后通过现代印刷技术构建出全印刷碳纳米管薄膜晶体管器件。虽然已经有各种电极墨水、半导体碳纳米管墨水和介电墨水，但各种墨水的物理特性相差甚远，使得印刷层之间以及印刷层与基体的兼容性较差，这些都严重影响全印刷柔性薄膜晶体管器件的性能。为了进一步提高全印刷柔性薄膜晶体管器件的电性能，人们一直在努力开发各种高性能的印刷墨水和印刷薄膜晶体管器件的新工艺。目前开发出的一些全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管器件的构建方法，如气溶胶喷墨打印方法、卷对卷和多种印刷技术联用等方法。目前，气溶胶喷墨打印方法是依次在柔性基体上打印银电极、碳纳米管有源层、离子胶介电层和栅电极，但构建的全印刷碳纳米管柔性薄膜晶体管器件的开关比只有100左右。而采用多种印刷技术联用方法构建出器件表现出较优越的性能，如器件开关比在10²-10⁴之间，器件工作电压只有2V左右。但这种方法在电极制备过程中需要采用溅射或蒸镀方式先在衬底上沉积金电极，再通过转印技术把金电极转移到柔性基体上，工艺步骤相对复杂。另外碳纳米管是商业化昂贵的高纯半导体碳纳米管，因此在很大程度上限制了这种方法在实际上的应用。其次，通过卷对卷的方式在柔性基体上构建全印刷柔性薄膜晶体管器件，并构建了简单逻辑电路，但印刷薄膜晶体管器件的开关比也普遍不高(只有100左右)，工作电压偏大(约10V左右)。

发明内容

本发明针对现有的全印刷柔性薄膜晶体管制备方法存在的不足，提出了一种新的全印刷柔性碳纳米管薄膜晶体管的制备方法，包括：

1)选取柔性衬底；

2)通过纳米压印技术在柔性衬底表面制作银微网格电极阵列，形成源、漏电极沟道；

3)在银微网格电极表面化学镀金属电极；

4)通过气溶胶打印或者喷墨打印技术将碳纳米管墨水沉积在源、漏电极沟道中，形成碳纳米管薄膜；

5)通过印刷技术在源、漏电极的一侧制备栅电极；

6)通过气溶胶喷墨打印技术在碳纳米管薄膜表面沉积介电层，所述介电层与栅电极相接触。

其中，所述的柔性衬底材料包括聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚甲基丙烯酸甲酯，但不局限于以上几种柔性基体。

其中，制备栅电极的印刷技术包括纳米压印技术、气溶胶打印技术或者喷墨打印技术。

其中，所述源漏电极的材料包括银、铜、镍或金中的任一种材料，但不局限于这四种金属。

其中，继在源、漏电极沟道中沉积碳纳米管薄膜后，通过退火、激光烧结或红外加热方法改善碳纳米管薄膜电性能。

其中，所述栅电极的材料为印刷导电材料，包括银、金、铜、镍、碳纳米管或PSS:PEDOT中的任一种材料，但不局限于以上几种。

其中，碳纳米管包括CoMoCat65、CoMoCat76、HiPCO、CG100、CG200和P2中的至少一种材料，但不局限于以上几种。