喷墨打印应用于双电层薄膜晶体管制备的研究

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近年来,双电层薄膜晶体管(EDLTs)凭借其低电压、多栅调控、可模拟神经突触等特点引起了学术界的广泛关注。而在新兴的印刷电子领域,喷墨打印技术相比于传统的半导体制备工艺具有灵活简便、节省原料、成本低和环境友好等优势,从而成为印刷制造薄膜晶体管的重要潜在方法。特别是对于采用含离子栅介质和具有侧栅等特殊结构的新型双电层薄膜晶体管来说,打印制备技术对液态原料的灵活运用具有特殊优势。因此,实现基于打印工艺的双电层薄膜晶体管制备对于后续开发基于该类器件的微电子器件与电路具有重要意义。为了实现上述目标,本文从喷墨打印系统搭建出发,通过配制可打印的墨水材料并结合适当常规镀膜方法,实现了基于打印技术的双电层薄膜晶体管的制备。文中涵盖了材料合成、工艺开发、器件的制备与测试。主要研究内容如下。(1)通过改造平板喷墨打印机,使其更加适合电子材料的打印和器件的制备。并以配制的纯溶剂银溶液作为墨水,对喷墨打印系统的参数与打印效果进行了研究。当喷头与衬底之间的距离为1 mm、衬底表面经过氧气等离子体处理、选择合适的分辨率和打印次数时可打印得到效果比较好的图案。得到的最小线宽为50μm,接近专用打印设备,并打印了线宽为100μm的平行电极和线宽为350μm的小型电极图形。所配制的纯溶剂银墨水具有成本低、无沉淀和易打印的优点。(2)针对氧化石墨烯(GO)墨水浓度大、颗粒大,容易堵塞喷墨打印喷头的问题,搭建了一个喷嘴喷射打印装置,对不同流速时的喷射液滴的形态和不同运动速度下喷射打印线条的线宽进行了表征。结合喷嘴喷射打印和磁控溅射,制备了底栅顶接触结构的氧化石墨烯双电层薄膜晶体管,其开启电压在2 V以内,阈值电压为1.14 V,器件的开关比为8.6×104,场效应载流子迁移率为0.28 cm2/Vs,亚阈值摆幅为95 mV/decade。(3)针对氧化石墨烯双电层薄膜晶体管的电学稳定性较差的问题,本文对提高器件的稳定性做了研究。首先在氧化石墨烯溶液中加入一定含量的聚乙烯醇(PVA);然后喷嘴喷射打印氧化石墨烯与聚乙烯醇(GO-PVA)的混合栅介质,并制备基于GO-PVA栅介质的双电层薄膜晶体管;最后测试器件的电学特性。结果表明,PVA使GO-PVA栅介质粘结更紧密,从而提高了GO-PVA栅介质的结构稳定性,因此提高了GO-PVA双电层薄膜晶体管的电学稳定性。
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