一种可编织线状有机单晶场效应晶体管及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于有机电子领域，具体涉及一种可编织线状有机单晶场效应晶体管及其 制备方法与应用。
【背景技术】
[0002] 随着有机电子学/分子电子学的快速发展，柔性可编织设备成为当今电子器件的 主流发展方向，可编织的便携式应用设备必须具有质量轻、体积小、效率高以及一定的弹 性等特点，然而同时具备以上特性是极具挑战性的，因此迫切需要在相关领域开展突破性 研究。近些年来有许多制备可编织的线状微型器件的尝试并取得了一定的成功经验，如 复旦大学的彭慧胜课题组设计了一种旋转平移法，可有效地结合高分子的弹性及碳纳米 管的优异电学和机械性能，首次成功制备出了可拉伸的线状超级电容器（AdvancedMater 2013, 25, 5965 - 5970)。该课题组还通过将取向碳纳米管纤维缠绕在一起，制备出真正的自 支撑染色敏化有机太阳能电池（Advanced. Energy Mater 2014, 1301750)。并且这种生产出 来的线状太阳能电池可以达到目前市面上太阳能电池的发电效率。
[0003] 目前被广泛研究的场效应晶体管器件基本上都是在传统的平面状衬底上实现的， 如图1所示。该类衬底弹性差且极易断裂和破损。这在很大程度上阻碍了有机场效应晶 体管在柔性领域的发展。目前为止，关于可编织的线状场效应晶体管的报道很少。在已 经报道的文献中普遍存在着器件制作工艺复杂，生产成本高等问题（Advanced Materials 2009,21,573-577 ；Appl.Phys.Lett. 2006? 89, 143515 ；ACS AppL Mater. Interfaces 2012, 4, 6-10.)。这仍需要相关领域科研工作者的不断探索与研究。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种可编织线状有机单晶场效应晶体管及其制备方法。该制 备方法基于拼图技术路线，大批量制备得到了有机单晶场效应晶体管。
[0005] 本发明所提供的制备方法，包括如下步骤：
[0006] 1)于衬底表面涂覆得到绝缘层薄膜，并对所述绝缘层薄膜进行固化处理，得到固 化处理后的绝缘层薄膜；
[0007] 2)将有机单晶转移至步骤1)中所述固化处理后的绝缘层薄膜上，并于所述有机 单晶的两端蒸镀电极（分别得到源极和漏极），得到平面器件；
[0008] 3)将步骤2)中所述平面器件转移至柔性线状金属（栅极）上，得到可编织线状有 机单晶场效应晶体管。
[0009] 上述制备方法中，步骤1)中，所述衬底具体可为硅片，所述硅片在使用之前，还包 括对其进行十八烷基三氯硅烷（OTS)修饰的步骤（便于更好地揭起所述绝缘层薄膜），具 体步骤如下：①将切割后的硅片依次置于丙酮、铬酸洗液里清洗，再用氮气吹干；②对硅片 进行羟基化：将经步骤①处理后的硅片于食人洗液（体积比为7:3的浓硫酸和过氧化氢的 混合溶液）中浸泡20~40min (具体可为0. 5h)，再取出娃片，并用去离子水冲洗数遍；③ 对硅片进行OTS修饰：将经步骤②处理后的硅片于体积分数为0. 005-0. 015% (具体可为 0. 01% )的OTS的正庚烧溶液中浸渍8~15min(具体可为IOmin);再用三氯甲烧浸泡清 洗；最后，于水中超声后，用用氮气吹干备用。
[0010] 所述绝缘层薄膜具体可为聚苯乙烯（PS)，厚度为200-300nm。
[0011] 所述涂覆具体可通过将质量分数为2% -5% (具体可为2% )的PS甲苯溶液滴 到放置于匀胶机转盘上的衬底表面后，静置5~15s (经过OTS修饰，绝缘层不易于绝缘层 贴合，静置增加了绝缘层与衬底的贴合性，利于下一步的旋涂）；再将匀胶机的转速设置在 3500-4500r/min (具体可为4000r/min)，旋涂时间为35s-45s (具体可为40s)。
[0012] 所述固化处理的温度为70°C~100°C，时间为5min~30min。
[0013] 上述制备方法中，步骤2)中，所述有机单晶具体可为酞菁铜单晶纳米线或酞菁锌 单晶纳米线，所述有机单晶的长宽比为40-80(具体可为70)，直径为0. 2 μ m-0. 5 μ m。通常 选取选取颜色均一，结晶质量好的的有机单晶纳米线。
[0014] 所述有机单晶的个数至少为1个。当所述有机单晶的个数为2个及以上时，所述 有机单晶既可位于同一个所述平面器件中，也可位于不同的所述平面器件中。
[0015] 所述转移可通过机械探针来实现。
[0016] 所述蒸镀具体为真空掩膜蒸镀，所述真空掩膜蒸镀的具体条件如下：真空度为 10 6-10 7torr (具体为10 6torr)、蒸镀速率为0. 01-0. 02nm/s (具体为0. 01nm/s)，掩膜具体 为金膜。
[0017] 所述电极为源极和漏极，所述源极的厚度为30-35nm(具体可为30nm)，所述漏极 的厚度为30-35nm (具体可为30nm)，所述源极和漏极的间距为10-20 μ m，所述电极的材料 为金。
[0018] 所述蒸镀之后，还包括利用探针进行分割的步骤，从而得到形状规则，大小适合的 多个可转移平面器件。
[0019] 上述制备方法中，步骤3)中，所述柔性线状金属具体可为金丝，所述金丝的直径 为15-20 μ m(如15 μ m)，所述金丝在使用之前，还包括对其依次进行清洗、固定和氧等离 子体处理的步骤，其中，所述清洗具体可将直径为15-20 μm的金丝于体积分数为30-37% (具体可为37% )的浓盐酸中浸泡20-40min (具体可为30min)，取出后用去离子水冲洗数 遍，再于去离子水中超声5-15min (具体可为IOmin);所述固定具体可将所述清洗后的金丝 用导电银胶将金丝固定于载玻片上，保证金丝处于伸直状态；所述氧等离子体处理的条件 具体如下：功率为50-70W(具体可为60W)，时间为5-20min (具体可为IOmin)，气体流速为 6-lOsccm (具体可为 8sccm)。
[0020] 所述转移可通过机械探针来实现。转移前，先用机械探针将切割好的步骤2)所得 平面器件搓起一角，然后用蘸取少量双面胶的机械探针粘起所述平面器件；再转移至所述 处理后的金丝（衬底）栅极上，即得到了可编织线状有机单晶场效应晶体管（OFET)。
[0021] 在转移过程中要保证有机单晶（如酞菁铜纳米线）与金丝严格平行并且平面器件 尽M避免出现裙皱。
[0022] 本发明的再一个目的是提供上述方法所制备得到的可编织线状有机单晶场效应 晶体管。
[0023] 此外，本发明所制备得到的可编织线状有机单晶场效应晶体管在便携式、可穿戴 电子产品中的应用也属于本发明的保护范围。
[0024] 上述应用中，所述电子产品为嵌入式电路、传感器或光控开关等。
[0025] 本发明提供的基于拼图技术路线制备可编织的线状有机单晶场效应晶体管的方 法，还可以拓展到有机电子逻辑电路领域。
[0026] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0027] ①本发明预先在平面状衬底上制备有机单晶场效应晶体管器件，这样可以保证有 机半导体与电极和绝缘层完全贴合；
[0028] ②本发明以可编织的线状衬底代替了传统的平面状衬底，制备了一种可编织的线 状有机场效应晶体管，制备方法简单，同时具有优异的机械性能和柔韧性，能够方便的进行 编制和集成到其他织物上。
[0029] ③本发明相较于已报道的可编织的线状器件而言。具有制作工艺简单，成本低廉 等优势，产品具有质量轻、柔性、可编织的特点，尺寸更小，利于集成化，可以应用于可植入 体内的探测设备。在很多领域如便携式、可穿戴智能化的电子产品中拥有广阔的发展前景 和应用潜力。
[0030] ④已报道的可编织的线状有机场效应晶体管都是以薄膜作为活性层的器件，而本 发明以有机微纳单晶作为活性层有利于制备高性能的器件。
[0031] ⑤本发明提供的制备方法可以实现在同一根金丝（栅极）衬底上多个器件的制 备，已报道的线状场效应晶体管尺寸较大，且制备方法比较复杂，多为薄膜器件，而本发明 基于拼图技术路线的制备方法，可实现批量制备、采用微纳单晶在15 μm的金丝实现制备。
【附图说明】
[0032] 图1为现有的传统的平面状衬底的场效应晶体管结构示意图。
[0033] 图2为本发明可编织的拼图式线状有机单晶场效应晶体管结构示意图。
[0034] 图3为实施例1中OTS修饰的硅片上制备的蒸镀器件分割后的结构示意图（图 3(a))和分割后单体器件显微镜图（图3(b))。
[0035] 图4为实施例1中依次进行清洗、固定和氧等离子体处理后的金丝（栅极）衬底的 扫描电镜图（图4(a))和在同一根金丝（栅极）衬底上制备多个器件的光学显微镜图（图 4(b)) 〇
[0036] 图5为实施例1中制备的可编织的拼图式线状有机场效应晶体管的光学显微镜图 (透射）（图5(a))和扫描电镜图（图5(b))。
[0037] 图6为实施例1中制备的可编织的拼图式线状酞菁铜微纳单晶场效应晶体管的转 移曲线图（图6(a))和输出曲线图（图6(b))。
[0038] 图7为实施1中可编织的拼图式线状有机场效应晶体管的柔韧性展示的显微镜 图。
[0039] 图8为实施1中可编织的拼图式线状有机场效应晶体管应用到其他形状织物的显 微镜图。
【具体实施方式】
[0040] 下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。
[0041] 下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如 无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0042] 下述实施例中所用的酞菁铜的微纳单晶是通过物理气相输运法制备得到，具体制 备过程如下：将原材料酞菁铜（选用的原材料是已经经过四次升华提纯后的）置于本实验 室自行研制的两端控温的全透明电阻管式炉中，氮气针阀调整流量为2〇-3〇 SCCm，向炉内通 入高纯度氮气（作为载气），管式炉内载气压强为25~30pa，将炉内高温区温度在30min 内从室温升至290°C，并于290°C下恒温加热120min，最后，于低温区（全透明电阻管式炉是 通过加热丝的疏密来调节温度梯度的，低温区是一个相对概念）获得蓝紫色的酞菁铜微纳 单晶纳米线，其直径为〇· 2~0· 7 μ m，长度为15~50 μ m。
[0043] 下述实施例中所制备得到的可编织的