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CN105633282B - 一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管 - Google Patents

一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管 Download PDF

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Abstract

一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管，其结构如图1所示，包括下电极(1)、栅绝缘层(2)、源电极(301)、漏电极(302)、第一有机半导体层(4)、第二有机半导体层(5)、第一封装层(6)、电致变色层(7)、离子导体层(8)、第二封装层(9)。当施加正向的源漏电压时，薄膜是脱色态，薄膜的透光性较好，器件的输出特性较好；当施加反向的源漏电压时，薄膜是着色态，薄膜的透光性较差，器件的输出特性较差，从而实现器件的双工作模式。

Description

一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管
【技术领域】
本发明属于有机薄膜器件领域，特别涉及一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管。
【背景技术】
目前世界已经进入到低碳、节能环保、新能源、生命科学、智能物联网技术等为主导的第四次产业革命时代。新兴产业的崛起推动人类进入一个绿色可持续发展的新阶段。如何有效的节约资源实现可持续发展是当前科技领域的重要课题。电致变色材料与器件由于其能耗低、工作电压较低、透光力可调及有记忆功能等优点而备受关注。
有机电子器件伴随着有机半导体材料的不断研究和器件制备工艺的不断提高，已经取得了令人瞩目的研究成果。同时由于有机电子器件特殊的性能(如柔性、低成本、制备工艺简单等)，在很多领域已经拥有了广泛的应用前景。与光敏无机场效应管相比，光敏有机场效应管(photosensitive organic field-effect transistor，PhotOFET)具有光响应度高，可以大面积低成本制造以及制造过程环境友好等优点。通常，光敏有机场效应管由衬底、栅极、栅介质、有机光敏层、源极和漏极组成。根据这几部分的相对位置不同，光敏有机场效应管可以采用顶栅顶接触、顶栅底接触。底栅顶接触、底栅底接触四种结构。
本发明采用电致变色材料制作的一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管是在未来有机器件中必不可少的。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管。
本发明提供的一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管，其结构如图1所示，包括下电极(1)、栅绝缘层(2)、源电极(301)、漏电极(302)、第一有机半导体层(4)、第二有机半导体层(5)、第一封装层(6)、电致变色层(7)、离子导体层(8)、第二封装层(9)；该晶体管中，构成下电极的材料为Si；构成栅绝缘层的材料为SiO2；构成源电极和漏电极的材料为ITO；构成第一有机半导体层的材料为C60；构成第二有机半导体层的材料为酞菁钯；构成第一封装层、第二封装层的材料为氟化锂；构成电致变色层的材料为氧化钨；构成离子导体层的材料为钛酸镧锂。
当施加正向的源漏电压时，薄膜是脱色态，薄膜的透光性较好，器件的输出特性较好；当施加反向的源漏电压时，薄膜是着色态，薄膜的透光性较差，器件的输出特性较差，从而实现器件的双工作模式。
栅绝缘层覆盖于下电极之上，源电极和漏电极分别位于栅绝缘层的两侧，中间部分形成沟道；第一有机半导体层位于部分的源电极和部分漏电极之上并覆盖沟道；第二有机半导体层覆盖于第一有机半导体层之上；第一封装层位于源电极、漏电极和第二有机半导体层之上，其中源电极和漏电极延伸到第一封装层外；电致变色层位于部分第一封装层上且与源电极接触，其中源电极延伸到电致变色层外；离子导体层位于电致变色层、第一封装层外侧，与漏电极接触，其中漏电极延伸到离子导体层外；第二封装层位于电致变色层、漏电极和离子导体层之上，其中漏电极延伸到第二封装层外，电致变色层与源电极接触的部分延伸到第二封装层外。
本发明提供的制备上述一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管的方法，包括如下步骤：
1)在下电极上制备栅绝缘层；
2)在所述步骤1)得到的栅绝缘层上制备源电极和漏电极；
3)在所述步骤2)得到的源电极、漏电极及步骤1)得到的栅绝缘层上制备第一有机半导体层；
4)在所述步骤3)得到的第一有机半导体层之上制备第二有机半导体层；
5)在所述步骤4)得到的第二有机半导体层及步骤2)得到的源电极和漏电极上制备第一封装层；
6)在所述步骤5)得到的第一封装层及步骤2)得到的源电极上制备电致变色层；
7)在所述步骤6)得到的电致变色层、步骤5)得到的第一封装层、步骤2)得到的漏电极之上制备离子导体层；
8)在所述步骤7)得到的离子导体层、步骤6)得到的电致变色层、步骤2)得到的漏电极之上制备第二封装层，得到所述带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管。
上述制备方法的步骤1)中，下电极材料可以通过商业途径购买得到，制作栅绝缘层之前先将下电极分别用丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗15分钟，制备栅绝缘层的方法为磁控溅射，工作气压为1.2帕斯卡，真空度为3.0×10-3帕斯卡以下，溅射功率为80瓦，沉积时间为30分钟；
所述的步骤2)中，首先采用光刻工艺制备牺牲层，在底栅绝缘层上涂一层负胶，使用掩膜版遮挡，经曝光、坚膜后用强酸除去被掩膜版掩挡住的部分，暴露出的区域用于制备源电极和漏电极，制备源电极和漏电极的方法为磁控溅射，工作气压为0.85帕斯卡，真空度为3.0×10-3帕斯卡以下，溅射功率为70瓦，沉积时间为10分钟；
所述的步骤3)中，制备第一有机半导体层的方法为真空热蒸镀，真空度为3×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为1.67nm/min；
所述的步骤4)中，制备第二有机半导体层的方法为真空热蒸镀，真空度为3×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为1.67nm/min；
所述的步骤5)中，制备第一封装层的方法为真空热蒸发，真空度为1×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为6埃/秒；
所述的步骤6)中，制备电致变色层的方法为真空热蒸发，真空度为3.8×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为0.3nm/s；
所述的步骤7)中，制备离子导体层的方法为磁控溅射，工作气压为1.5帕斯卡，溅射功率为80瓦，沉积时间为60分钟；
所述的步骤8)中，制备第二封装层的方法为真空热蒸发，真空度为1×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为6埃/秒。
本发明的技术分析：
该一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管采用的电致变色材料是氧化钨。氧化钨是性能较优异的无机电致变色材料，其变色效率与电化学稳定性较好。对基于氧化钨的电致变色器件施加不同电压时，氧化钨薄膜发生颜色变化。当施加正向电压时，氧化钨薄膜为脱色态，颜色透明；当施加反向电压时，氧化钨薄膜为着色态，颜色为蓝色，着色态薄膜对蓝光的透射率较大，对红光、绿光的吸收性较好。第二半导体层为光敏层，选取的材料是氧化钯，氧化钯在蓝光波长范围内吸收性较差。从而实现了功能为双工作模式的场效应晶体管。
【附图说明】
图1为本发明提供的一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管的结构示意图。图中，1为下电极、2为栅绝缘层、301为源电极、302为漏电极、4为第一有机半导体层、5为第二有机半导体层、6为第一封装层、7为电致变色层、8为离子导体层、9为第二封装层。
图2为第二封装层材料氧化钯的紫外-可见光吸收光谱。
【具体实施方式】
下面结合具体实例对本发明作进一步说明。
本发明中，对光敏场效应晶体管施加光照，并测试其工作在不同电压下的输出电流：
1)对晶体管施加正向源漏电压
2)对晶体管施加负向工作电压
在上述方向相反的工作电压下，正向电压时，氧化钨薄膜是脱色态，其薄膜的透光性较好，得到器件的输出特性较好；然而，反向电压时，氧化钨薄膜是着色态，薄膜的透光性较差，器件的输出特性较差，从而实现器件的双工作模式的特性。
实施例
本实施例按照下述步骤制备双层封装的平面异质结有机场效应晶体管：
1)所用下电极材料为硅，采用磁控溅射法制备栅绝缘层，在硅上溅射二氧化硅；所采用的靶材为单晶硅纯度为99.999％，反应气体为氧气，纯度为99.99％，溅射前将硅分别用丙酮、乙醇、去离子水进行15分钟的超声清洗，烘干后放入镀膜机，镀膜前用氩对靶材进行15分钟预溅射，除去表面杂质和氧化物，待电流和电压稳定后打开挡板进行溅射，磁控溅射的工作气压为1.2帕斯卡，真空度为3.0×10-3帕斯卡以下，溅射功率为80瓦，淀积速率为5埃/秒，沉积时间为30分钟。
2)首先采用光刻工艺制备牺牲层，在底栅绝缘层上涂一层负胶，使用掩膜版遮挡，经曝光、坚膜后用强酸除去被掩膜版掩挡住的部分，暴露出的区域用于制备源电极和漏电极，制备源电极和漏电极的方法为磁控溅射，所采用的是ITO陶瓷靶材In2O3∶SnO2＝90∶10wt.％，纯度为99％，工作气压为0.85帕斯卡，真空度为3.0×10-3帕斯卡以下，溅射功率为70瓦，沉积时间为10分钟。
3)第一有机半导体层的制备方法为真空热蒸镀，使用掩膜版，真空度为3×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为1.67nm/min。
4)第二有机半导体层的制备方法为真空热蒸镀，使用掩膜版，真空度为3×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为1.67nm/min。
5)第一封装层的制备方法为真空热蒸发，使用掩膜版，真空度为1×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为6埃/秒，蒸发时间为1小时，蒸发时钼舟的电流大约为50A左右。
6)电致变色层的制备方法为真空热蒸发，使用掩膜版，真空度为3.8×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为0.3nm/s。
7)离子导体层制备方法为磁控溅射，工作气压为1.5帕斯卡，溅射功率为80瓦，沉积时间为60分钟。
8)第二封装层的制备方法为真空热蒸发，使用掩膜版，真空度为1×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为6埃/秒，蒸发时间为1小时，蒸发时钼舟的电流大约为50A左右。

Claims (10)

1.一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管，其特征在于：包括下电极( 1 )、栅绝缘层( 2 )、源电极( 301 )、漏电极( 302 )、第一有机半导体层( 4 )、第二有机半导体光敏层( 5 )、第一封装层( 6 )、电致变色层( 7 )、离子导体层( 8 )、第二封装层( 9)；其中：
当施加正向的源漏电压时，电致变色层是脱色态，薄膜的透光性较好，器件的输出特性较好，当施加反向的源漏电压时，电致变色层是着色态，薄膜的透光性较差，器件的输出特性较差，从而实现器件的双工作模式的特性；栅绝缘层覆盖于下电极之上，源电极和漏电极分别位于栅绝缘层的两侧，中间部分形成沟道；第一有机半导体层位于部分的源电极和部分漏电极之上并覆盖沟道；第二有机半导体光敏层覆盖于第一有机半导体层之上；第一封装层位于源电极、漏电极和第二有机半导体光敏层之上，其中源电极和漏电极延伸到第一封装层外；电致变色层位于部分第一封装层上且与源电极接触，其中源电极延伸到电致变色层外；离子导体层位于电致变色层、第一封装层外侧，与漏电极接触，其中漏电极延伸到离子导体层
外；第二封装层位于电致变色层、漏电极和离子导体层之上，其中漏电极延伸到第二封装层外，电致变色层与源电极接触的部分延伸到第二封装层外。
2.根据权利要求1所述的一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成下电极的材料为Si。
3.根据权利要求1所述的一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成栅绝缘层的材料为SiO2。
4.根据权利要求1所述的一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成源电极、漏电极的材料为ITO。
5.根据权利要求1所述的一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成第一有机半导体层和第二有机半导体光敏层的材料分别为C60和酞菁钯。
6.根据权利要求1所述的一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成第一封装层和第二封装层的材料为氟化锂。
7.根据权利要求1所述的一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成电致变色层的材料为氧化钨。
8.根据权利要求1所述的一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管，其特征在于，构成离子导体层的材料为钛酸镧锂。
9.制作一种带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1 )在下电极上制备栅绝缘层；
2 )在所述步骤1 )得到的栅绝缘层上制备源电极和漏电极；
3 )在所述步骤2 )得到的源电极、漏电极及步骤1 )得到的栅绝缘层上制备第一有机半导体层；
4 )在所述步骤3 )得到的第一有机半导体层之上制备第二有机半导体光敏层；
5 )在所述步骤4 )得到的第二有机半导体光敏层及步骤2 )得到的源电极和漏电极上制备第一封装层；
6 )在所述步骤5 )得到的第一封装层及步骤2 )得到的源电极上制备电致变色层；
7 )在所述步骤6 )得到的电致变色层、步骤5 )得到的第一封装层、步骤2 )得到的漏电极之上制备离子导体层；
8 )在所述步骤7 )得到的离子导体层、步骤6 )得到的电致变色层、步骤2 )得到的漏电极之上制备第二封装层，得到所述带有电致变色薄膜的光敏有机场效应晶体管。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤1 )中，制备栅绝缘层的方法为磁控溅射，工作气压为1.2帕斯卡，真空度为3.0×10-3帕斯卡以下，溅射功率为80瓦，沉积时间为30分钟；
所述的步骤2 )中，制备源电极和漏电极的方法为磁控溅射，工作气压为0.85帕斯卡，真空度为3 .0×10-3帕斯卡以下，溅射功率为70瓦，沉积时间为10分钟；
所述的步骤3 )中，制备第一有机半导体层的方法为真空热蒸镀，真空度为3×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为1 .67nm/min；
所述的步骤4 )中，制备第二有机半导体光敏层的方法为真空热蒸镀，真空度为3×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为1 .67nm/min；
所述的步骤5 )中，制备第一封装层的方法为真空热蒸发，真空度为1×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为6埃/秒；
所述的步骤6 )中，制备电致变色层的方法为真空热蒸发，真空度为3.8×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为0 .3nm/s；
所述的步骤7 )中，制备离子导体层的方法为磁控溅射，工作气压为1.5帕斯卡，溅射功率为80瓦，沉积时间为60分钟；
所述的步骤8 )中，制备第二封装层的方法为真空热蒸发，真空度为1×10-3帕斯卡以下，蒸镀速率为6埃/秒。
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