氧化锌纳米颗粒的合成制造喷墨打印Mask-Free薄膜晶体管

文摘

我们报告一个低成本、mask-free,减少材料浪费,沉积技术使用透明,直接打印,air-stable半导体釉浆和电介质的解决方案。我们演示一个新兴的制造流程打印晶体管与氧化锌纳米颗粒作为积极的通道和聚(4-vinylphenol) (PVP)矩阵作为闸极介电层,分别具有氧化锌日前所表现出的载流子迁移率0.69厘米²/ Vs和阈值电压为25.5 V。我们建议打印材料和印刷技术使所有印刷的使用低成本的灵活的显示和其他透明电子应用程序。

1。介绍

Solution-processable并五苯等有机半导体,保利(3-hexylthiophene) (P3HT)α,ω-dihexyl-quaterthiophene (DH4T)也一直在调查,但他们表现出低流动性(< 0.1厘米²/ Vs)和稳定性差湿度(1- - - - - -3在常见的过程。由于这些原因,solution-processed无机材料在空气中是稳定的,适合解决方案过程吸引了最近的研究兴趣。

金属氧化物是众所周知的高载流子迁移率和透明导电材料SnO₂,在₂O₃,氧化锌4Ga的),和其他混合氧化物或锡、锌和非晶态半导体,比如,ZTO, IZO, IGZO [5- - - - - -9]。他们通常揭示n型财产由于氧空位或合并,也可以实现高流动性的1 - 100厘米²/ Vs无定形状态(5,10),远高于晶硅(≦1厘米²/ Vs)。这些材料可以通过真空或可溶性薄膜沉积技术。

直到现在,氧化锌仍被视为一个理想的候选人实现新的平板显示器透明和灵活的电子产品,如透明的薄膜晶体管(TTFTs)。与有机日前相比,这些氧化物OLED TTFTs显然有更多的潜力,因为流动性较高,可溶性制造不如ltp相当于晶硅和简单的过程,从而导致更高的驱动电流,低成本、提高分辨率,均匀的大面积制造(5]。氧化锌薄膜,研究了和捏造TTFTs使用真空或可溶性的活跃渠道处理,如溅射、脉冲激光沉积(骑士),化学气相沉积(CVD),原子层沉积(ALD),旋转涂布,喷涂,化学浴沉积(CBD),和几个印刷技术(11- - - - - -17]。氧化锌的一个重要优点是一个氧化,可以在相对较低的结晶温度,这表明该解决方案过程引入到高质量的电影制作的印刷技术定义了灵活的显示在塑料基板上沉积。然而,TFT有源层的设备基于多晶氧化锌各种流程已报告的机动性约0.2 - 3厘米²/ Vs [18- - - - - -21]。

最近,喷墨打印(IJP)技术作为一种低成本的研究设备在实验室环境中,存放各种实验可溶性材料印刷电子半导体、电介质,或进行建筑设备,如OTFT的领导,太阳能电池,使硬化、内存和传感器22]。IJP是无触点的一部分,广泛的材料应用和mask-free沉积技术。直接打印属性的优势IJP硅/氧化硅多层膜可以实现各种功能的油墨在一个设备,简单流程和快速修改打印模式通过控制patternable数字设计。具有电子的其他有吸引力的优势包括低成本、减少材料浪费,后者是大面积的辊,辊。

这项工作的目的是准备和分散氧化锌NPs解决方案的高沸点溶剂,分散剂具有活跃层日前。印刷油墨是准备使用保利(4-vinylphenol) (PVP)和醋酸锌脱水,是用于闸极介电层和半导体的电影日前作为前体,分别。日前的薄膜沉积在ITO /玻璃基板低温喷墨打印。

2。实验

2.1。准备工作的半导体和绝缘材料

在这个工作中,两种类型的设备是捏造的,如图1。聚合物电介质层形成在metal-insulator-metal (MIM)结构和top-contact TFT设备。交联的PVP (Mw ~ 25000,从奥尔德里奇)和交联试剂聚(melamine-co-formaldehyde)甲基化(PMCF Mw = 511,从奥尔德里奇)溶解均匀在丙二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)被选为可溶性介质的聚合物基质。

根据宝泉(以前的文献23),氧化锌纳米颗粒(NPs)被混合合成甲醇溶液(摩尔比、KOH:锌(Ac)₂= 1.6:1.0),由氢氧化钾29.58毫升的0.31米,53.98毫升的0.11 M醋酸锌,和320 uL的水,然后加热和磁搅拌60°C 5 h收购一个不透明的悬架。

透明保持解决方案的一部分被带走后30分钟和30毫升的甲醇读到解决方案然后搅拌5分钟两次。16.9毫升的悬浮泥沙后第二个洗然后代表12 h。好控制氧化锌的固体浓度的悬架从3.92到3.0 wt %,我们使用2.8毫升的悬架的计算要求溶剂(甲醇)和阅读约2.78克。

最后,悬挂和16.2毫升PGMEA (V, V, 50: 50),然后14毫克的聚酯分散剂(4.0% wt。ZnO-NPs)和0.26毫升n丁胺(0.8%卷)溶解在混合获得一个明确的解决方案,用来分散氧化锌纳米颗粒。我们使用另一个高沸点溶剂作为第二个矩阵为了防止喷射喷嘴堵塞和抑制对流蒸发过程。NPs固体含量的氧化锌油墨是3和7 wt %。调查之间的关系特征的ZnO-NPs电影和悬浮液的组合,我们准备ZnO-NPs悬浮液和ZnO-NPs /锌^{2 +}浓度的混合物,拥有3 wt %。

2.2。制造的设备

底导坑,top-contact日前被捏造的玻璃基板,如图1。100纳米厚的氧化铟锡(ITO)层是热沉积玻璃衬底上的栅电极。清洗后的玻璃与丙酮超声波浴,聚合物溶液作为栅极电介质在ITO玻璃基板的厚度由喷墨打印1 - 2,从过滤(0.45 um聚四氟乙烯过滤器)复合浆,然后烤30分钟的190°C。获取泄漏电流密度和介电常数,黄金热蒸发通过荫罩和用作覆盖电极的MIM结构。

大厅的电极测量比较,莫被放置在spin-cast电影ZnO-NPs和ZnO-NPs /锌^{2 +}在PVP(南卡罗来纳州= 3 wt %)层和在200°C 1 h postannealed空气环境或还原性气氛(RA)。

制造top-contact TFT结构,ZnO-NPs(3和7 wt %) 0.45 um聚四氟乙烯过滤器过滤(Advantec MFS),是喷墨印刷作为一种无机半导体层ITO /玻璃基板厚1.2 um PVP,和它的厚度约为2。由此产生的电影在180°C干2小时蒸发溶剂退火在200°C 1 h在还原性气氛实现有机残留物的热分解,金属盐和羧酸盐阴离子。最后,黄金源/漏电极热蒸发的荫罩上ZnO-NPs层PVP /玻璃,通道宽度的比率()和长度()2。

压电喷墨打印机构成drop-on-demand (DOD)喷嘴(1 - 10滴体积的pL)由Dimatix (dmp - 2800)用于这项工作。16的打印头喷嘴,享年254岁μm在单行间距安装到计算机控制的三轴龙门系统表现出一个运动精度±25嗯。稳定液滴喷射是通过应用一个长11.5我们17 V脉冲的频率1 kHz。下降间距监管在大约5嗯印刷、层数和3(10和20 V, 1 kHz,嗯滴间距)。

2.3。测量

旋转涂布和喷墨印刷、真空烧结炉,充满了空气,或使用还原性气氛退火氧化锌NPs电影。电影的厚度测量的Alpha-Step轮廓曲线仪。霍尔测量进行描述的载体浓度和霍尔迁移spin-coated ZnO-NPs电影在PVP /退火玻璃基板的各种大气。获得的光学吸收性质具有ZnO-NPs电影,使用双光束光谱测量UV-VIS-NIR分光光度计(Jasco v - 670)。相变和结晶测量使用高分辨率X射线衍射(X PETPRO MRD, Phillips)。电流电压(- - - - - -MIM)特征是由一个惠普4156 a测量半导体参数分析。电容的测量进行了惠普4284精密电感电容电阻测量计。所有的测量都是在黑暗中在室温下进行。氧化锌薄膜的表面微观结构特征对电介质使用扫描电子显微镜(SEM、XL-40FEG、飞利浦)。

3所示。结果与讨论

沉降试验是由ZnO-NPs悬浮液添加胺的0和5.2卷% 0人力资源和2周后的结果提出了数字2(一个)和2 (b),分别。而丁胺溶解在溶液中,透明和快速变化仍然与added-butylamine 3 wt %。观察到,暂停没有丁胺沉淀明显,墨水样品含有胺保持稳定。

3.1。形态属性

数据3和4显示光学显微镜和扫描电子显微照片的氧化锌薄膜在PVP / ITO /玻璃衬底,分别。观察到,六角颗粒密集在衬底。六角粒子似乎从衬底的表面。北极可能发生由于形成的快速蒸发率由低沸点溶剂或粘度过低聚合氧化锌NPs电影可能高流动性。在有机泥浆,以分散均匀的纳米颗粒,小分子和短链分散剂,如胺磷酯、脂肪酸,或使用羧基酸(23,24]。在某些文献中,增加固相涂层解决方案可以减少收缩和增长极光滑的电影25]。然而,我们得到了不同的结果和图5说明分散剂与丁胺等低沸点在马朗戈尼流机制(26]。丁胺(23)与短链配体和低沸点(78°C)可以代替醋酸组成(CH3COO⁻)与锌原子螯合配位体组氧化锌纳米晶体的表面上以帮助实现高浓度悬浮液的分散,因此剩余组可以随时删除。特别是,丁胺的高固相含量ZnO-NPs悬挂蒸发速度比其他溶剂纳米粒子聚合干燥期间由于表面能较高,这可能导致裂纹,分裂和不平滑的不均匀沉积,退火后压力。

3.2。结构特性

氧化锌薄膜的性质所使用的喷墨印刷在适当的条件下检查。数据6(一)-6(d)的x射线衍射谱氧化锌纳米粉,spin-cast的影片,具有电影。在图6(一)x射线衍射谱的峰值在2= 31.72,34.36,36.18,47.44,和56.5°,对应于晶格的飞机(100)、(002)、(101)、(102)和(110),分别氧化锌的六角阶段(27),在场。XRD模式表明,加热时间越长凝结时间可以提高的方向(101)阶段,期望提高结晶度ZnO-NPs层的这些设备的性能。高峰在2= 36.04°,对应的衍射(101)飞机,和更强的晶体质量归功于锌^{2 +}如图中的混合物6 (b)和6 (c)。的模式也表现出spin-cast氧化锌/锌^{2 +}膜上形成PVP介质的低温退火在RA 200°C多晶财产很明显,这可能分散或陷阱的航空公司运输。

氧化锌纳米颗粒的微晶大小随着时间增加合成从Cullity用谢乐公式计算(1970): 在哪里,,是x射线波长(1.54056),布拉格的角度,和半宽度(应用)的峰值。发现氧化锌颗粒的平均尺寸在2.5和5.0人力资源9.7和13.06 nm,分别。微晶的大小对应于主要衍射计划总结在表1。我们评论,微晶表面较小的PVP电影,除了RA ZnO-NPs退火(3卷%),这表明啤酒粒径的减少晶界的数量。

3.3。光学性质

图7显示了整个的光学透过率光谱IJP-ZnO电影(不含其它设备或衬底层)、展品的能量差距~ 3.35 eV。透光率的模式在光谱的可见部分(400 - 700 nm)约为60 - 70%,而印刷膜的低浓度悬浮。

3.4。电气性能

当前density-voltage具有PVP介电如图的特征8。insets的图8显示一个光学图像和分析器测量结果具有PVP层。我们获得IJP电影具有泄漏电流小于10⁻⁸一个/厘米²的偏见下100 V。然而,考虑到绝缘体厚度不包括门接触,IJP-film的绝缘强度是计算0.83 MV /厘米。更强大的力量与厚层可以抵御设备工作,但积极诱导运营商通道晶体管的“在”模式decreas由于弱极性。我们也计算了介电常数4.17 C-V 1 kHz的特点进行了分析。

ZnO-NPs沉积在玻璃和PVP /玻璃的低温退火200°C和霍尔效应的机动性展出的样品在RA超过8厘米²/ Vs如图9(一个)和9 (b)的确,电势与一个数量级比非晶硅的灵活的电子产品。postannealing一步在200°C, H₂+ N₂(3卷%)气氛改善电气性能执行其他晶体管的测量。

最后,我们成功地实现打印机使用的说法ZnO-NPs暂停制作活性层和栅极绝缘层的低温top-contact TFT (TC-TFT)。图10显示的转移和输出特征ZnO-NPs-based日前制造使用具有积极的通道和闸极介电层。的- - - - - -ZnO-based TFT设备测量的曲线输出漏极电流漏电压()被从0-60在10 V V 0-50的栅电压增量。的- - - - - -ZnO-based TC-TFT显示了一个典型的电子行为,夹止,和当前的饱和度。它也观察到,设备与零门关闭偏差表明ZnO-NPs TFT积累模式运作。场效应迁移率(μ)计算的饱和度政权转移特点的下列关系连续薄膜(28]: 在哪里,,表明通道长度,通道宽度、介质电容,分别。上,电流开关比、饱和流动领域,和阈值电压计算是1.2×10⁻⁸~ 4×10¹0.69厘米²分别/ Vs和25.5 V。的ZnO-NPs-based TC-TFT有相同的饱和场流动性和上。然而,流动性仍低于ZnO-TFTs出版。当前没有有效可能将上升到ZnO-NPs电影质量,可怜的极性厚PVP或heterolayers的界面特征。提高薄层电阻和缺陷形成过剩的丁胺由于毛细蒸发暂停从膜表面导致相邻NPs综合的在干燥过程中,使当前的下降。在图4,我们观察到电影印有低浓度悬浮减少缺陷如裂纹和分裂。然而,具有ZnO-NPs-based TFT设备适用于平板显示器,这将进一步应用。

4所示。结论

总之,我们充分利用溶胶-凝胶方法制备氧化锌NPs墨水,介绍可溶性聚合物,和捏造直接打印的闸极介电层电影和积极的通道层日前使用喷墨打印。印刷与mask-free半导体的过程,准备NP油墨通过分散剂和丁胺,悬挂很分散的纳米氧化锌粒子透明和更稳定的有效超过2周,然后再micronozzle飞机成功。此外,在这项工作中,我们成功地利用喷墨印刷过程制造TFT的活跃和绝缘体层设备。预计可以实现低成本的纳米粒子材料和高性能的设备使用一个简单的解决方案制造流程。

确认

这项工作是由美国国家科学委员会(NSC),台湾,号合同下。nsc99 - 2221 - e - 006 - 089。

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