一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法
【專利摘要】一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，制備器件第一層，在第一層上制備源電極、漏電極和半導體活性層；制備器件第二層，將對應源電極和漏電極的材料剪切，并在對應半導體活性層的位置剪切通道；制備器件第三層，在第三層上剪切對稱的圓孔，且直徑與第二層的通道寬度相等；最后在器件第二層的兩面貼上雙面膠粘住第一層和第三層，完成制備。本發明巧妙的使用了微流控層壓技術制備通道結合有機場效應晶體管的制備，完成了一種柔性的可檢測氣體及液體的離子敏感場效應晶體管器件。由于通道的制作簡易，及柔性的特點，可應用于低成本的柔性離子敏感場效應管的生產，對有機電子器件的應用推廣具有深遠意義。
【專利說明】一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體晶體管的制備，尤其涉及一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法。

【背景技術】
[0002]在過去半個世紀，微電子技術掀起了人類信息技術的革命，它極大地改變著人們的生活方式和改善人類生活質量。人們無時無刻不感受到微電子給人類社會帶來的巨大變化，它已成為蓬勃發展的IT信息產業的核心和基石。
[0003]以有機小分子化合物或聚合物為半導體層材料的有機場效應晶體管成為當前有機光電子功能材料與器件研究領域中前沿熱點問題，尤其是在有機半導體技術在低價格系統中有巨大的潛在應用前景，其相比較于無機場效應晶體管有:材料來源廣、可與柔性襯底兼容、耐低溫性能好、制造工藝較簡單、生產成本低等諸多優勢。
[0004]離子敏感場效應晶體管(ISFET)是一種微電子離子選擇性敏感元件，與離子選擇電極相比，ISFET具有如下優點:(I)輸入阻抗高，輸出阻抗低，兼有信號放大的功能，可避免外界感應與次級電路干擾作用；靈敏度高，響應快；(2)采用集成電路工藝，適于批量生產，成本低，并具有微型化、集成化的發展潛力；(3)全固態結構，機械強度大，在化工、食品、醫藥、環境監測及科學研究中有廣闊的應用前景；(4)易于與外電路匹配，使用方便，并可與計算機連接，實現在線控制。
[0005]場效應晶體管(FET)是一種電壓控制的電流源，它由三部分組成一電源、漏(板)和閘門。閘門用于調節電場，發出源到漏的信號。在一個離子敏感場效應晶體管內，閘門隨離子變化的，離子濃度改變，閘門的電壓也隨之調整。不同于一般場效應使用的金屬閘門，而是用一層絕緣材料將電源和漏(板)隔開。這個絕緣層直接接觸到溶液，這樣溶液本身就充當閘門的作用，并與一個電導性“對電極”和一個參比電極相聯接。
[0006]微圖案化加工技術是實現電子器件及其集成加工的必要手段，也是有機電子研究領域的一個熱點問題。對于有機離子敏感場效應晶體管對制造工藝技術的要求，分別考慮到工藝技術的性能、適用性、成本及對環境的友好程度。噴墨技術具有比較全面的性能，它具有良好的圖案化成膜能力，工藝簡單成本低，適用性強，能得到3PL甚至更微笑的墨滴，能精確、定量的將某種溶解的材料沉積到確定位置，且材料的利用率很高，不浪費材料和對環境造成傷害，由于噴墨印刷的這些優勢，它被認為是有機薄膜器件(OTFT)制造中代替光亥IJ，實現金屬膜的沉積和有源層半導體直接形成圖形的技術選擇。


【發明內容】

[0007]解決的技術問題:為解決現有技術問題，本發明提供了一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，結合打印技術和微流控層壓技術，利用有機材料柔性的特性，獲得工藝簡單、低成本、可彎折的柔性離子敏場效應晶體管的大規模生產方式。
[0008]技術方案:一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，包括以下步驟: 第一步:取一塊柔性聚合物材料板作為器件第一層，并在其上制備源電極和漏電極和半導體活性層，所述源電極與漏電極的水平間距為60-100 μ m，兩者之間的間隔用于設置半導體活性層；
第二步:選取另一塊與第一塊等大小的柔性聚合物材料板作為器件第二層，在對應源電極和漏電極的位置進行裁剪，并在對應半導體活性層的位置處裁剪出寬度為1_2_的通道；
第三步:再選取一塊與第一層大小相等的柔性聚合物材料板作為器件第三層，在對應源電極和漏電極的位置進行裁剪，并在對應器件第二層的通道處剪切兩個與通道寬度相同的圓孔，且兩圓孔位置對稱；
第四步:在器件第二層的上、下面上均覆蓋雙面膠，再將器件第二層與器件第一層和器件第三層粘貼成一體，從而構成離子敏感膜，完成整個柔性離子敏感場效應晶體管的制備。
[0009]器件第一層、器件第二層和器件第三層粘貼成一體后，在半導體活性層上制備鈍化層。
[0010]鈍化層的制備方法是用環氧樹脂膠將器件第三層上的圓孔與圓孔等直徑的導管粘連成一體，再將導管的另一端接到微量泵上，通過在一端注入鈍化層溶液，另一端使用微量泵抽取，最終在半導體活性層上形成鈍化層。
[0011]柔性聚合物材料板為聚對苯二甲酸乙二酯或環烯烴共聚物材料板的一種。
[0012]源電極、漏電極材料為銀、金、鋁、銅、聚3，4_乙撐二氧噻吩或聚苯乙烯磺酸鹽中的一種。
[0013]源電極、漏電極材料的制備方法為真空蒸度沉積法、噴墨打印法或電子束沉積方式中的一種。
[0014]半導體活性層的材料可以為3-己基噻吩的聚合物、酞菁銅或并五苯中的一種。
[0015]半導體活性層的制備方法為噴墨打印、旋涂或真空蒸度沉積法中的一種。
[0016]鈍化層的材料為酞菁金屬化合物。
[0017]有益效果本發明提供的這種制備柔性有機離子敏感場效應晶體管的方法具有很大的優勢:首先，傳統的熱蒸鍍制備場效應晶體管需要在真空環境下進行，而且對于圖案化的電極制備上，需要使用定制的模具。而本發明在晶體管的制備方面要求的環境很寬松，無論是每一層柔性聚合物材料的制作還是壓電噴墨打印電極及半導體活性層都不需要在手套箱等無水無氧的環境下實施，簡化了工藝。
[0018]其次，巧妙的使用了層壓技術獲得可以流通微升級別溶液的微型通道是本發明的另一大特點，傳統的制備微通道的方法是首先經過軟件設計通道模型，然后通過激光刻蝕、熱壓法等復雜的工藝來制備，不僅制作工藝復雜，而且所需的成本也較高。而本發明制備微通道的方法避免了復雜的微通道制作過程，且根據半導體活性層的材料特性選擇添加鈍化層，可以更好的保護半導體活性層層不受氧氣環境下的影響，提高了器件的使用壽命。
[0019]最后，本發明制得的有機電子器件具有較高的柔性，可應用于低成本的柔性離子敏感場效應管的生產，對有機電子器件的應用推廣具有深遠意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為柔性有機離子敏感場效應晶體管的結構示意圖，其中，1、圓孔，2、器件第三層，3、源電極，4、雙面膠，5、半導體活性層，6、器件第一層，7、器件第二層，8、漏電極；
圖2通入不同pH值的緩沖液，通過檢測柵源電極之間的電流變化，從而達到對于pH值的檢測；
圖3將經過鈍化層保護和未經鈍化層保護的器件分別放置于空氣中，3天后測試各器件的轉移特性曲線。

【具體實施方式】
[0021 ] 技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。
[0022]實施例1
結合圖1，具體介紹本發明的柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法。
[0023]第一步:根據需要取一塊PET作為器件第一層6，采用現有成熟的壓電式噴墨印刷方式制作平行排列的源電極3和漏電極8，所用材料均為導電銀納米粒子制備的銀墨水，制備后放到熱臺上進行退火，退火溫度為80°C，時間為I小時，以促使銀墨水中的溶劑快速揮發，且使銀納米粒子燒結從而提高導電性，精度可達I μ m，其中，源電極3和漏電極8的圖案根據需要選擇，兩者之間留有60 μ m的通道，相較于傳統的蒸鍍方式更加省時、省料。
[0024]在通道上制作半導體活性層5，采用P3HT，選單個噴嘴，在35V電壓、40 μ m點間距的條件下打印單層P3HT層，打印按照豎排進行，打印的P3HT層需要邊沿要覆蓋源電極3和漏電極8之間的溝道上，打印完半導體活性層5后，將器件第一層6放在手套箱中的熱臺上，在氮氣環境下按照70°C的溫度退火I小時。壓電噴墨打印方式及條件，可以很好的制備出表面均勻的P3HT薄膜，通過退火處理后，在源、漏電極之間的溝道中可以很好的覆蓋，以優化器件的性能。
[0025]將鈦青銅溶于氯仿中，然后將溶液以2000RPM的轉速、30s時間條件下旋涂于P3HT的半導體活性層5上形成鈍化層，因為鈦青銅具有良好的電學和光學性能，同時也具有氣敏性和氣體選擇性，具有較高的載流子傳輸效率，可以保護P3HT不受空氣影響，既克服了P3HT不穩定的問題，又提高了器件的使用壽命。
[0026]第二步:取一塊PET襯底，裁剪與器件第一層6等大小的襯底，并將對應源電極3和漏電極8的位置切除得器件第二層7，再將對應半導體層活性層5的位置上，切割出寬度為Imm的通道。
[0027]第三步:再取一塊PET襯底，裁剪與器件第一層6等大小的襯底，作為器件第三層2，在對應源電極3和漏電極8的位置進行裁剪，并在對應器件第二層的通道處剪切兩個與通道寬度相同的圓孔1，且兩圓孔位置對稱。
[0028]第四步:在器件第二層7上、下兩面均貼有雙面膠4，通過器件第二層7將器件第一層6和器件第三層2粘貼在一起，完成柔性有機離子敏感場效應晶體管的制備。
[0029]使用時，為方便在通道中通入檢測液體或氣體，使用環氧樹脂膠，將口徑與最頂層PET上圓孔相匹配的導管與PET相互連接。利用微流泵控制通道內液體或氣體的流動。通入PH值分別為5、6、7、8、9的緩沖液，對源電極3和漏電極8加電壓并檢測電流的變化。
[0030]實施例2
第一步:根據需要取一塊PET作為器件第一層6，采用現有成熟的壓電式噴墨印刷方式制作平行排列的源電極3和漏電極8，所用材料均為導電銀納米粒子制備的銀墨水，制備后放到熱臺上進行退火，退火溫度為80°C，時間為I小時，以促使銀墨水中的溶劑快速揮發，且使銀納米粒子燒結從而提高導電性，精度可達I μ m，其中，源電極3和漏電極8的圖案根據需要選擇，兩者之間留有100 μ m的通道，相較于傳統的蒸鍍方式更加省時、省料。
[0031]在通道上制作半導體活性層5，采用P3HT，選單個噴嘴，在35V電壓、60 μ m點間距的條件下打印兩層P3HT層，打印按照豎排進行，打印的P3HT層需要邊沿要覆蓋源電極3和漏電極8之間的溝道上，打印完半導體活性層5后，將器件第一層6放在手套箱中的熱臺上，在氮氣環境下按照70°C的溫度退火I小時。壓電噴墨打印方式及條件，可以很好的制備出表面均勻的P3HT薄膜，通過退火處理后，在源、漏電極之間的溝道中可以很好的覆蓋，以優化器件的性能。
[0032]第二步:通道的寬度為2nm，其他的操作同實施例1的第二步。
[0033]第三步:圓孔I直徑為2nm，其他操作同實施例1的第三步。
[0034]第四步:在器件第二層7上、下兩面均貼有雙面膠4，通過器件第二層7將器件第一層6和器件第三層2粘貼在一起，完成柔性有機離子敏感場效應晶體管的制備。
[0035]第五步:用環氧樹脂膠將口徑與圓孔I匹配的導管連接，通過微流泵將鈦青銅溶液按照luL/s的速度泵入通道，流通5分鐘后停止微流泵，形成鈍化層，完成柔性有機離子敏感場效應晶體管的制備。
[0036]使用時，通入pH值分別為5、6、7、8、9的緩沖液，在通入不同pH值的緩沖液時，并對源電極3和漏電極8加電壓并檢測電流的變化。
[0037]實施例3
第一步:根據需要取一塊PET作為器件第一層6，采用現有成熟的壓電式噴墨印刷方式制作平行排列的源電極3和漏電極8，所用材料均為導電銀納米粒子制備的銀墨水，制備后放到熱臺上進行退火，退火溫度為80°C，時間為I小時，以促使銀墨水中的溶劑快速揮發，且使銀納米粒子燒結從而提高導電性，精度可達I μ m，其中，源電極3和漏電極8的圖案根據需要選擇，兩者之間留有100 μ m的通道，相較于傳統的蒸鍍方式更加省時、省料。
[0038]在通道上制作半導體活性層5，采用P3HT，選單個噴嘴，在35V電壓、60 μ m點間距的條件下打印兩層P3HT層，打印按照豎排進行，打印的P3HT層需要邊沿要覆蓋源電極3和漏電極8之間的溝道上，打印完半導體活性層5后，將器件第一層6放在手套箱中的熱臺上，在氮氣環境下按照70°C的溫度退火I小時。壓電噴墨打印方式及條件，可以很好的制備出表面均勻的P3HT薄膜，通過退火處理后，在源、漏電極之間的溝道中可以很好的覆蓋，以優化器件的性能。
[0039]第二步:通道的寬度為2nm，其他的操作同實施例1的第二步。
[0040]第三步和第四步同實施例1中的第三步和第四步，完成柔性有機離子敏感場效應晶體管的制備。
[0041]通入pH值分別為5、6、7、8、9的緩沖液，對源電極3和漏電極8加電壓并檢測電流的變化。
[0042]如圖2，發現當隨著pH值的濃度增加時，器件的閾值電壓隨之變小，由此充分說明本發明器件可以在較低的電壓條件下達到檢測液體PH值的目的。
[0043]如圖3所示，通過對于經過鈍化層保護和未經鈍化層保護的器件進行測試，發現未經過鈍化層保護的器件的開關比明顯低于經過鈍化層保護的器件。由此說明，經過鈍化層保護的器件的壽命明顯得到了提高。
[0044]以上對于實施例的詳細說明僅作為實例提供，并非以此限制本發明多樣化的實施方式。
【權利要求】
1.一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步:取一塊柔性聚合物材料板作為器件第一層(6)，并在其上制備源電極(3)和漏電極(8)和半導體活性層(5)，所述源電極(3)與漏電極(8)的水平間距為60-100 μ m，間距上設有半導體活性層(5)，且半導體活性層(5)邊沿覆蓋在源電極(3)與漏電極(8)上； 第二步:選取另一塊與第一塊等大小的柔性聚合物材料板作為器件第二層(7)，在對應源電極(3)和漏電極(8)的位置進行裁剪，并在對應半導體活性層(5)的位置處裁剪出寬度為1-2_的通道； 第三步:再選取一塊與第一層大小相等的柔性聚合物材料板作為器件第三層(2)，在柔性聚合物材料板上裁切出兩個與第二層的通道寬度相同的圓孔(1)，且兩圓孔位置對稱； 第四步:在器件第二層(7)的上、下面上均覆蓋雙面膠(4)，再將器件第二層(7)與器件第一層(6)和器件第三層(2)粘貼成一體，完成整個柔性離子敏感場效應晶體管的制備。
2.根據權利要求1所述一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，其特征在于:器件第一層(6 )、器件第二層(7 )和器件第三層(2 )粘貼成一體后，在半導體活性層(5 )上制備鈍化層。
3.根據權利要求2所述一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，其特征在于:鈍化層的制備方法是用環氧樹脂膠將器件第三層(2)上的圓孔(I)與圓孔(I)等直徑的導管粘連成一體，再將導管的另一端接到微量泵上，通過在一端注入鈍化層溶液，另一端使用微量泵抽取，最終在半導體活性層(5)上形成鈍化層。
4.根據權利要求1所述一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，其特征在于:柔性聚合物材料板為聚對苯二甲酸乙二酯或環烯烴共聚物材料板的一種。
5.根據權利要求1所述一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，其特征在于:源電極(3)、漏電極(8)材料為銀、金、鋁、銅、聚3，4_乙撐二氧噻吩或聚苯乙烯磺酸鹽中的一種。
6.根據權利要求1所述一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，其特征在于:源電極(3)、漏電極(8)材料的制備方法為真空蒸度沉積法、噴墨打印法或電子束沉積方式中的一種。
7.根據權利要求1所述一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，其特征在于:半導體活性層(5)的材料可以為3-己基噻吩的聚合物、酞菁銅或并五苯中的一種。
8.根據權利要求1所述一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，其特征在于:半導體活性層(5)的制備方法為噴墨打印、旋涂或真空蒸度沉積法中的一種。
9.根據權利要求2所述一種柔性有機離子敏場效應晶體管的制備方法，其特征在于:鈍化層的材料為酞菁金屬化合物。
【文檔編號】G01N27/414GK104132988SQ201410362343
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】葛·瑞金, 謝業磊, 楊昕, 黃維, 王洋 申請人:南京郵電大學