一種大面積印刷獨立碳納米管薄膜晶體管的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管的制備方法，特別涉及印刷納米電子領域的一種大面積印刷獨立碳納米管薄膜晶體管的制備方法，屬于印刷納米電子領域。
【背景技術】
[0002]印刷電子技術是最近5年來才在國際上蓬勃發(fā)展起來的新興技術與產業(yè)領域，據(jù)專家預測2017年全世界印刷電子產品總值將達到3300億美元，因而印刷電子技術的發(fā)展已受到全世界人們的廣泛關注，成為當今多學科交叉、綜合的前沿研究熱點。印刷電子器件雖然在性能上不如硅基半導體微電子器件，但由于其簡單的印刷制作工藝和對基底材料的無選擇性，使其在大面積、柔性化、低成本電子器件應用領域有硅基半導體微電子電子器件無法比擬的優(yōu)勢。為了實現(xiàn)大面積、大批量、低成本制作，印刷制作是一項關鍵技術。傳統(tǒng)印刷技術如絲網印刷、噴墨打印、滾筒凹版印刷等正在被改造并應用于電子器件的加工中，這些技術一旦研制成功，在以后商業(yè)應用的方向上，則可以大規(guī)模進行生產。然而，通過對國內研究現(xiàn)狀的調研，不難發(fā)現(xiàn)國內這一領域的研究主要是在有機材料方面，在化學領域開展的，利用印刷技術制備大面積電子器件的研究方面與國外相比尚有較大的差距。
[0003]為了構建印刷電子元器件以及開發(fā)其相關應用，高性能新型印刷電子墨水的研制成為印刷電子技術最關鍵的技術之一，使得印刷墨水的制備以及新工藝的開發(fā)已成為現(xiàn)代印刷電子領域的熱點和難點。半導體碳納米管具有許多優(yōu)越的性能，與其他半導體材料相比不僅尺寸小、電學性能優(yōu)異、物理和化學性質穩(wěn)定性好，而且碳納米管構建的晶體管等電子元件具有發(fā)熱量更少以及運行頻率更高等優(yōu)點，同時碳納米管容易實現(xiàn)溶液化，分離純化后的半導體碳納米管印刷墨水能夠構建出高性能的印刷碳納米管薄膜晶體管器件，因此半導體碳納米管被認為是構建高性能薄膜晶體管器件最理想的半導體材料之一，這使得碳納米管薄膜晶體管器件構建及其在電子、生物、醫(yī)學、材料和環(huán)境監(jiān)測等領域的研究得到了各國科學家的廣泛關注，已成為當今科學界研究的熱點。此外，近年來，碳納米管的作為可溶液化半導體材料因其可以利用印刷方法實現(xiàn)電子器件的制備而受到產業(yè)界的關注，正在成為一個新興的、具有巨大商業(yè)前景的朝陽產業(yè)。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種快速、有效、低成本，能構建出大面積印刷碳納米管薄膜晶體管的方法，從而克服現(xiàn)有技術中的不足。
[0005]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術方案:
[0006]一種大面積印刷獨立碳納米管薄膜晶體管的制備方法，包括步驟:
[0007](a)提供一柔性或剛性基底；
[0008](b)應用印刷工藝在所述基底上制備柵電極陣列；
[0009](C)應用原子沉積工藝、旋涂工藝或者是印刷工藝在所述柵電極陣列上制備一介電層；
[0010]( dl)首先應用印刷工藝在所述介電層上制備源電極和漏電極，所述源電極和漏電極之間形成一溝道，所述溝道的寬度為10?200微米；然后應用印刷工藝或浸泡工藝在所述溝道中制備碳納米管有源層；或者是:
[0011 ] (d2)首先應用印刷工藝在所述介電層上制備碳納米管有源層，所述有源層的寬度為10?200微米；然后在所述有源層的兩側分別制備源電極和漏電極；
[0012]所述大面積是指制備得到的薄膜晶體管陣列的面積為400?800cm2。
[0013]優(yōu)選地，該方法制備得到的薄膜晶體管的開關比為14?107，遷移率為0.5?35cm2/Vs0
[0014]優(yōu)選地，該方法還包括步驟，對所述碳納米管有源層進行退火工藝的步驟。
[0015]優(yōu)選地，所述印刷工藝為絲網印刷工藝、噴墨打印工藝、滾筒凹版印刷工藝以及轉移印刷工藝中的任意一種。
[0016]優(yōu)選地，所述碳納米管為單壁半導體碳納米管；所述碳納米管為CoMoCat65、CoMoCat76、CG200、HiPCO、P2和CGlOO中的任意一種；所述所述碳納米管的管徑范圍是0.6 ?2nm。
[0017]優(yōu)選地，所述碳納米管為經過化學方法或物理方法選擇性分離得到的半導體碳納米管。
[0018]優(yōu)選地，所述柔性基底為PET或PI，所述剛性基底為玻璃、硅片或石英。
[0019]優(yōu)選地，所述柵電極、源電極和漏電極的材料為金屬、碳納米管、ITO以及PEDOT中的任意一種；所述金屬是金、銀、銅、鎳、鈦、鈀、鋁中的任意一種。
[0020]優(yōu)選地，該方法還包括步驟，對金屬源、漏電極進行激光燒結或紅外加熱工藝的步驟。
[0021]優(yōu)選地，所述介電層的材料為氧化鋁、氧化鉿、二氧化硅、氧化鈦/氧化鋁復合材料、離子膠介電材料、鈦酸鋇-PMMA雜化材料、鹵化石墨-PMMA雜化材料以及電解質介電材料中的任意一種。
[0022]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提出的一種大面積印刷獨立碳納米管薄膜晶體管的制備方法，利用印刷工藝在剛性或柔性基底上制作有源層、絕緣層、電極，最終實現(xiàn)高性能大面積TFT陣列的研制，其制備方法工藝簡單、環(huán)境友好、操作方便、成本低廉，因此有望應用于大規(guī)模商業(yè)化生產高性能可印刷半導體碳納米管墨水以及大面積印刷獨立碳納米管晶體管器件，制備得到的碳納米管器件為可以獨立工作的器件(不共用柵電極)，可直接用于構建反相器、振蕩器和簡單邏輯電路等。特別是基于選擇性分離出的大管徑半導體碳納米管的印刷薄膜晶體管表現(xiàn)出了優(yōu)越的電性能，其遷移率和開關比分別可以達到0.5?35cm2/Vs 和 14 ?170
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實施例制備獲得的薄膜晶體管的結構示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明實施例1制備得到的單個薄膜晶體管的電鏡照片。
[0025]圖3為如圖2所示的薄膜晶體管的電性能測試圖。
[0026]圖4為發(fā)明實施例1制備獲得的大面積薄膜晶體管陣列的光學照片。
【具體實施方式】
[0027]如前所述，本發(fā)明的目的在于提供一種大面積碳納米管薄膜晶體管的制備方法，其制備得到的薄膜晶體管的結構如圖1所示，該方法包括步驟:(a)提供一柔性或剛性基底I ;(b)應用印刷工藝在所述基底I上制備柵電極陣列2 ; (C)應用原子沉積工藝、旋涂工藝或者是印刷工藝在所述柵電極陣列2上制備一介電層3 ;(dl)首先應用印刷工藝在所述介電層3上制備源電極4和漏電極5，所述源電極4和漏電極5之間形成一溝道，所述溝道的寬度為10?200微米；然后應用印刷工藝在所述溝道中制備碳納米管有源層6 ;或者是:(d2)首先應用印刷工藝在所述介電層3上制備碳納米管有源層6，所述有源層6的寬度為10?200微米；然后在所述有源層6的兩側分別制備源電極4和漏電極5。需要說明的是，本發(fā)明中的大面積是指制備得到的薄膜晶體管陣列的面積為400?800cm2 ;在制備得到的薄膜晶體管陣列中，單獨的薄膜晶體管可以獨立的工作，即單個晶體管為可以獨立工作的器件而不共用柵電極，可直接用于構建反相器、振蕩器和簡單邏輯電路等。本發(fā)明提供能夠快速、有效、低成本，能構建出大面積印刷碳納米管薄膜晶體管的方法，從而克服現(xiàn)有技術中的不足。下面將結合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0028]實施例1
[0029]選取玻璃基底經清洗干凈后用氮氣或空氣吹干，首先應用氣溶膠噴墨印刷在玻璃基底上打印大面積ITO電極陣列，晾干后，為了使ITO電極導電，將印制的ITO電極置于空氣中在500°C的條件下退火30分鐘；然后通過原子層沉積法在ITO電極表面沉積一層氧化鋁介電層，再通過氣溶膠噴墨打印方法在ITO電極上方打印一對ITO源、漏電極，源電極和漏電極之間形成一 200微米寬的溝道，并將ITO源、漏電極置于空氣中在500°C的條件下退火30分鐘，依次在乙醇、丙酮和純水中分別超聲5分鐘，吹干；最后把整個玻璃基底浸泡在P3DDT-P2的甲苯溶液中，浸泡6?12小時，取出電極，用甲苯沖洗2次，測量電性能。
[0030]本實施例制備得到的薄膜晶體管的電鏡照片如圖2所示，其中G為柵電極，S為源電極，D為漏電極；圖3為如圖2所示的薄膜晶體管的電性能測試圖，從測試圖中可以得出，本實施制備得到的薄膜晶體管的遷移率和開關比分別可以到達2cm2/Vs和17 ;圖4為本實施例制備得到的薄膜晶體管陣列的光學照片，本實施例制備得到的薄膜晶體管陣列的面積可以達到600cm2左右。
[0031]實施例2
[0032]選取聚合物柔性基底如PI基底(可耐280度高溫)，清洗干凈后用氮氣或空氣吹干，首先應用氣溶膠噴墨印刷在PI基底上打印大面積銀電極陣列，晾干后，為了使銀電極導電，將印制的銀電極置于空氣中在200°c的條件下退火30分鐘；然后通過原子層沉積法在銀電極表面沉積一層氧化鉿，再通過氣溶膠噴墨打印方法在銀電極上方打印一對銀源、漏電極，源電極和漏電極之間形成一 150微米寬的溝道，并將銀源、漏電極置于空氣中在200°C的條件下退火30分鐘；最后把整個柔性PI基底浸泡在PF0-CG200的甲苯溶液中，浸泡6?12小時，取出電極，用甲苯沖洗2次，測量電性能。本實施制備得到的薄膜晶體管的遷移率和開關比分別可以到達3cm2/Vs和16 ;本實施例制備得到的薄膜晶體管陣列的面積可以達到800cm2左右。
[0033]實施例3
[0034]選取聚合物柔性襯底如PET基底，清洗干凈后用氮氣或空氣吹干，首先應用轉印方法氣溶膠噴墨印刷在PET基底上打印大面積銀電極陣列，晾干后，為了使銀電極導電，將印制的銀電極置于空氣中在200°C的條件下退火30分鐘；然后通過原子層沉積法在銀電極