[发明专利]一种有机单晶场效应电路及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有机单晶场效应电路及其制备方法，属于有机电子领域。

背景技术

在无机集成电路迅速发展之后，直到1995年才出现了第一个真正意义上的有机电路，飞利浦实验室利用并五苯以及聚乙烯基噻吩等实现了反相器等一些列基本电路单元(Science 1995,270,972)，从而掀起研究有机场效应电路的新篇章。与无机材料相比，有机材料具有成膜工艺简单，材料来源广泛，与柔性衬底兼容性好，电学性质容易调制等许多固有的优势(Nature,2001,414,599；Chemical Reviews 2012,112,2208；Nature 2013,499,458；Journal of the American Chemical Society 2004,126,8138)。因此，使得有机场效应晶体管及电路的研究在短短的十几年间获得了快速的发展和进步。近年来对于有机场效应电路的研究主要集中于有机薄膜场效应电路的制备(Applied Physics Letters 1998,72,2716；Advanced Materials 2003,15,1147；Nature Materials 2003,2,678；Chemistry of Materials 2011,23,733)。然而有机薄膜中存在大量的晶界和高密度的结构缺陷，严重的影响了器件和电路的性能(Advanced Materials 2006,18,2320)。有机单晶的出现恰恰解决了这个问题。因为有机单晶中不存在晶界并且具有很好的π-π轨道重叠，有效的降低电荷陷阱密度。因此可以制备有机单晶场效应电路以便提高器件性能。

目前制备有机单晶场效应电路的文献并不多，根据器件的构型不同(源/漏电极和半导体之间的上下位置)，可以分为俩类，一类是顶接触型的有机单晶场效应电路(Advanced Materials 2009,21,3649；Advanced Materials 2009,21,4234；Applied Physics Letters 2009,94,203304；Advanced Materials 2010,22,3938；Advanced Materials2012,24,2588)，另一类是底接触型有机单晶电路(Applied Physics Letters 2006,89,222111；Nano Letter 2007,7,2847)。第一类顶接触型的有机单晶场效应电路：胡文平课题组基于单个的蒽的衍生物单晶，利用纳米带作为掩膜真空沉积金作为电极制备了自举行反相器(Advanced Materials 2009,21,3649)。Uemura课题组基于单个的红荧烯单晶利用真空沉积金和钙作为电极制备成互补性反相器(Advanced Materials 2010,22,3938)。鲍哲南课题组利用液相法在二氧化硅衬底制备上C₆₀和TIPS-并五苯单晶，然后利用真空沉积金作为电极获得反相器的基本电路单元(Advanced Materials 2012,24,2588)。他们的共同点是都采用传统的真空掩膜沉积的方法直接在有机单晶上制备顶接触型有机单晶场效应电路。然而这种方法的存在一些缺点。一方面制备的电极尺寸较 大，线条精度不够，并且图形的形状比较受限，不能制备复杂的图形。另一方面在电极的沉积过程中，热辐射会对有机半导体造成一定损伤(Advanced Materials 2008,20,2947；Advanced Materials 2008,20,1511)，从而影响器件性能。为了克服真空掩膜沉积法的这些缺点，胡文平课题组还发明了“贴金膜”和“纳米带电极”两种方法来制备有机单晶电路(Applied Physics Letters 2009,94,20304；Advanced Materials 2009,21,4234)，这两种方法成功避免了热辐射对有机半导体的损伤。由于这种方法是利用探针微操控金膜和纳米带电极制备器件的，因此这种方法只适合做单一器件，不适合做更复杂的电路，集成度不高。为了解决制备顶接触型有机单晶电路遇到的热辐射损伤，集成度低等问题。研究者又发明了第二类底接触型的有机单晶场效应电路。鲍哲南课题组基于n型材料和p型材料有机单晶在二氧化硅衬底上制备了互补型反相器(Applied Physics Letters 2006,89,222111；Nano Letter 2007,7,2847)。这种方法的特点是，先在衬底上利用光刻法或者真空掩膜沉积的方法制备好电极，然后把有机单晶都通过静电力与电极和绝缘层结合，最终形成器件。这种方法的优点是可以克服热辐射损伤，集成度低的问题。但是也存在一些缺点：一方面目前报道的底接触型有机单晶场效应电路的结构如图1所示，电极凸出于绝缘层表面这种结构更适合较大尺寸晶体，限制了晶体使用尺寸。因为当把有机微/纳半导体转移到这种结构电极上时，如图2所示，由于这种电极凸出的结构会导致有机半导体并不能完全与绝缘层贴合，并且很容易在电极附近形成空气间隙。这样就会导致器件的导电沟道不均匀，影响器件的性能。另一方面目前报道的底接触型有机单晶场效应电路都是在刚性的衬底上制备的，可能使半导体与电极和绝缘层的接触质量差，容易产生缺陷，导致器件性能降低。因此需要提供一种新的制备有机单晶场效应管电路的方法，这种方法需要既可以实现热辐射对有机半导体的损伤，又可以实现高性能、柔性，高集成度、适用于各种尺寸的有机单晶。