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刘朝德，李文熙，苏瑞凤， ＂喷墨打印纳米复合高K电介质并五苯薄膜晶体管"，有源和无源电子元件， 卷。2012， 文章的ID921738， 7 页面， 2012． https://doi.org/10.1155/2012/921738
喷墨打印纳米复合高K电介质并五苯薄膜晶体管
摘要
采用喷墨打印的方法制备了五苯基薄膜晶体管的纳米复合栅绝缘膜。本研究利用珍珠研磨机粉碎团聚物，并使用分散剂稳定纳米TiO的分散2油墨中聚合物基体中的微粒增加了微喷射的剂量浓度，可以作为喷墨打印无需照相的栅极介质膜。最后，我们实现了顶接触并五苯- tfts，成功地实现了基于纳米复合材料的喷墨打印器件的直接模式化和性能提升的目的。这些器件具有高场效应迁移率(̃0.58 cm的饱和迁移率)的p沟道TFT特性2V−1年代−1)，大电流比(>103.)和低工作电压(< 6v)。此外，我们还证实了导致喷墨打印和旋转涂层界面差异的沉积机制。并利用XRD、SEM、Raman光谱分析并五苯薄膜的转移特性和OTFTs性能。
1.介绍
显示用有机薄膜晶体管（OTFTs）因其在低成本、大面积、适用于柔性电子等方面的潜在应用，近年来得到了广泛的研究。它们可以通过简单的可溶性工艺制造。然而，OTFTs的场迁移率较低，阈值电压高于非晶Si（a-Si）tft。栅极电介质在改善场效应OTFTs方面起着重要作用[1，2］.目前，高k材料是另一种理想的候选材料，大多数是基于无机陶瓷，这需要广泛昂贵的沉积工艺和较高的退火温度。一种方法是结合无机高k纳米粒子与有机可溶聚合物的优点，形成纳米复合电介质[2- - - - - -7］.纳米复合材料(NC)薄膜作为有源矩阵阵列的绝缘体，在摄影中不能胜任，因此被引入到一些新的直接打印技术中，如喷墨打印。
近年来，喷墨打印技术已被应用于电子器件，并因其具有纳米级的无掩模工艺和可制模性而成为显示工业中一种有前途的仪器。在本研究中，我们研究了不同固相对O-TFTs应用性能的影响。我们将交联聚4乙烯基苯酚(PVP)溶液与TiO纳米粒子混合2此外，通过喷墨打印获得的基于金属-绝缘体-金属（MIM）结构的纳米复合膜具有与旋转涂层相当的高介电常数和低泄漏电流[2］.
2.实验
2．1．无机-有机复合材料的制备
交联PVP (Mw~25,000，来自Aldrich) (9 wt%)和交联试剂聚(三聚氰胺-甲醛)甲基化(PMCF，以4 wt%溶解于丙二醇单甲基醚醋酸酯(PGMEA)中的二氧化钛(TiO2)纳米颗粒，一种高k材料（Hombitan RM300，， 15 nm)，分散均匀。陶瓷浆料与表面改性的纳米tio均匀分散2珍珠研磨15分钟后，在PGMEA中使用2 wt%分散剂(聚酯)，在2800 rpm下混合TiO的浆2纳米粒子进入交联PVP溶液中，调节了混合tio2的浓度2纳米粒子。
2．2．制造的设备
数字1介绍了在这项工作中制造的两种器件配置。纳米复合电介质层用于形成金属-绝缘体-金属（MIM）结构和底部接触TFT器件。热沉积铟锡氧化物（ITO）层的厚度约为100 mm 纳米作为玻璃衬底上的栅电极。在超声波浴中用丙酮清洗玻璃后，ITO玻璃衬底上的纳米复合膜采用喷墨打印，厚度为300–400 从过滤后的（0.45-um PTFE过滤器）复合浆料中提取，然后在190°C下烘烤30分钟 该打印机为压电式按需滴墨（DOD）喷墨打印机（DMC-2800，DIMATIX Corp.），球形液滴被喷射以形成平坦的绝缘层。为了获得泄漏电流密度和介电常数，金通过荫罩热蒸发，并用作金属-绝缘体-金属（MIM）结构的覆盖电极。对于顶部接触式OTFT结构，200 以6.5nm的沉积速率沉积了纳米厚的并五苯薄膜作为有机半导体层 纳米复合栅介质膜上的nm/s托。最后，黄金通过另一个带通道的阴影罩被热蒸发当源头和源头接触时。
(一)
(b)
２．３．测量
用DI 3100系列原子力显微镜(AFM)测量了薄膜的厚度和粗糙度。电流电压(-)用HP 4156A半导体参数分析仪测量了MIM的特性。电容测量采用HP 4284 a精密LCR仪进行。采用扫描电子显微镜(SEM、XL-40FEG、Philips)对介电介质上并五苯薄膜的表面微观结构进行了表征。
利用拉曼光谱仪对薄膜质量进行了表征和比较，从而考察了迁移率与分子振动的关系。
3.结果与讨论
３．１．纳米复合栅介电特性
由于在大气环境中具有良好的稳定性和良好的泄漏电流特性[8，选择PVP介质作为基质聚合物。用2 wt%的分散剂将掺杂的粒子分离到26 nm左右的纳米尺寸后，粒子的表面积与体积比将大大提高。因此，在色散过程中，色散粒子在范德华力和布朗运动的作用下更容易凝聚[9］.考虑了浆料的溶剂沸点、粘度和表面张力对喷射稳定性的影响。
研究了TiO对电介质性能的影响2PVP的内容如表所示1随着TiO含量的增加，NC栅介质的介电常数显著提高2PVP中的纳米颗粒含量。这一结果与高k粒子更大的弥散和分离有关，以增强等效平行电容。
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数字2显示了不同TiO的PVP聚合物基纳米复合膜的漏电流和介电常数2纳米粒子的浓度。绝缘层的漏电流密度随TiO的增加而恶化2MIM结构中的内容。漏电流和漏电流密度的比较是基于电场为1.25 MV/cm(外加偏压/绝缘层厚度)这一事实。定义为栅极介质泄漏电流密度超过10−6一个/厘米2．当掺杂量为1 wt%时，约为2.12 MV/cm;当掺杂量为3 wt%时，约为1.65 MV/cm。这一结果归因于与表面粗糙度和绝缘层与绝缘层之间界面缺陷状态相关的泄漏传导路径的增强[10在宽间隙聚合物基体中，无机含量较高，能隙较低。栅极介质泄漏电流的性能将反映电流通/关比()的OTFT设备。相应的AFM图像整洁的PVP, PVP + 1 wt% TiO2， PVP + 3 wt% TiO2，以及PVP+5 重量百分比TiO2纳米复合薄膜如图所示7(一)，7 (b)，7 (c),7 (d)纯膜和纳米复合膜在形貌上存在明显差异。
(一)
(b)
然而，由于TiO的提高，纳米薄膜的粗糙度增加2在玻璃基板上喷墨印刷形成的膜的流动性退化是由nc液滴中的固体含量造成的。
由于喷墨打印纳米薄膜的成膜机理不同于自旋涂层，聚合物基体中内部高k粒子的分布程度影响纳米薄膜的电学特性和质量。图中显示了用于假设IJP和SPC方法之间的不同之处的两种机制3.．采用珠磨法制备的纳米墨水分散性好，纳米颗粒粒径比球磨小，聚合物中固体含量高，介电常数提高()显然。图形3（b）实验结果表明，旋涂复合材料的TiO2在聚合物基体中，高k粒子受纺丝外力的作用而在薄膜边缘组装，颗粒位移降低了中间固体含量，介电常数较低，但表面更光滑。
(一)
(b)
３．２．纳米复合栅电介质OTFTs的电学性能
传递曲线和平方根与0和3 wt% TiO的栅极电压2-饱和区nc介质并五苯OTFT的共混(V)如图所示4．阈值电压()与栅极氧化物的电容有关，如(1) [11］
在这里,为栅金属与半导体的功函数中的电位差。和分别为固定电荷密度和界面陷阱电荷密度。是费米能级和固有费米能级之间的功函数差，是电荷的大小，为受体杂质浓度，是半导体的介电常数，以及为栅极氧化物单位面积的电容。与材料的固有介电常数成正比。在较低的工作电压下工作()，一种解决方案是提高TFT栅绝缘体的介电常数(1)．在增加和时，饱和状态下的电输运特性可由(2) [12］ 在(2),为饱和漏极电流，为半导体的场效应饱和载流子迁移率，为绝缘层单位面积的电容，是通道宽度，和为通道长度。当聚合物浓度为9%时，介电常数为PVP+TiO纳米复合材料的介电常数2-3 wt%薄膜由4.26提高到5.58。由于栅极介质具有较高的介电常数，可以增强有源层与绝缘层之间界面的极化，导致有源通道中带电载流子的积聚更强，从而增加了OTFT器件的输出电流。当浓度增加到5 wt%时，由于较高的粗糙度捕获了载流子和TiO的存在，略有降低2纳米粒子可能会诱导通道内的重组[13］.表格2总结了这些器件的电学特性，表明高显著提高了移动性和较低的操作电压，而电流的通/关比略有降低。因此，基于NC栅介质的并五苯tft在喷墨打印中表现出更高的场效应饱和迁移率，达到0.58 cm2/Vs，开/关，比率约，和较低阈值电压下V。显然，纳米介质墨水对饱和迁移率的提高有积极的作用2在图5. 然而，较高的泄漏电流将导致器件在关闭状态下的较高输出电流。
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３．３．并五苯在nc介质薄膜上的结构表征
数字6显示了不同掺杂量的nc薄膜上并五苯薄膜的x射线衍射图谱。在XRD谱图中观察到(002)相，表明样品仍为薄膜相。此外，在NC-film模式中没有发现明显的(001)相峰，这表明良好的结晶质量是OTFT器件性能的关键因素之一[14］.
(一)
(b)
(c)
(d)
从图7(一)，可以发现，印出的净pvp膜上沉积的并五苯的晶粒尺寸相对大于nc膜上沉积的并五苯，且表面(图7(一))一些文献报道的改善载流子传输的因素与薄膜的生长和质量有关，包括较低的结晶度、较小的晶畴、较低的有序度和较低的晶界角[15- - - - - -17］.
在这项工作中，拉曼光谱被用来测量并五苯薄膜中分子间的耦合度并研究载流子的输运。图形8研究了不同掺杂浓度下并五苯薄膜的拉曼光谱，以及光强比与载流子的关系。图中可以清楚地得到拉曼光谱8(一个)．两个峰1179,1158，以及1155-1158厘米附近的波段−1分别归因于并五苯分子的平面振动和Davydov分裂[18］.分裂的原因是分子间振动耦合的对称性所产生的能量差异，这种差异与分子间相互作用的能量有关[19］.在图8(一个)，强度比为1155和1158厘米−1从并五苯薄膜沉积到纳米薄膜(3 wt%)，表明并五苯分子在晶格中的排列方向更好，这有利于OTFTs的器件特性[19］.频谱信号中C-C的伸长在1179 cm处−1与3 wt%掺杂的nc薄膜相比，该薄膜的半最大值全宽度(FWHM)更小。这表明并五苯薄膜是均匀沉积的，表现出较低的弛豫能[20.- - - - - -22］.数字8 (b)表明提高分子间的偶联度可以增强分子间的重叠-共轭电子云，改善了并苯薄膜中的载流子输运。
(一)
(b)
4.结论
综上所述，我们很好地利用珍珠研磨技术制备了高k纳米复合油墨，并利用喷墨打印技术制备了OTFT可直接打印栅介质膜。的nano-TiO2粒子被很好地分散，在聚合物基体中更有效地研磨到纳米级，然后微喷嘴喷射成功。在我们的工作中，下文概述了NC膜的成膜机理以及并五苯分子振动能与载流子输运之间的关系。（1）栅极氧化物的高电容可以通过改善极化，使更多的载流子聚集在源极和漏极之间的沟道中，从而降低阈值电压。喷墨打印机制使高k TiO分布良好2在聚合物基体中，有利于保持较高的固体浓度，有效地提高介电常数。（2）通过喷墨打印nc栅介质，nc栅并五苯tft显示出较高的场效应饱和迁移率为0.58 cm2/Vs的开/关比以及更低的阈值电压V。从拉曼光谱来看，强度比为1155和1158厘米−1从并五苯薄膜对应的一个优良特性的OTFTs。因此，纳米复合墨水有望通过简单的溶液基制造工艺实现低成本、重混合功能材料，如高k介电材料，这将扩展应用到有源层和导电膜，以实现未来所有印刷电子器件。
确认
作者谨此感谢中华民国国家科学委员会的资助。NSC - 110 - 003 98 - 3114 e。
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