一种基于蒸镀F4-TCNQ改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器及制备方法

一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器及制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器及其制备方法，属于有机电子和信息技术领域。


背景技术：

2.在过去的几十年里，有机半导体(osc)的设计、合成和表征一直是一个重点研究领域，因为人们对轻质、低成本和灵活的有机光电子器件的应用越来越感兴趣。这些器件的范围从场效应晶体管到发光晶体管，发光二极管，和光伏电池。有机场效应晶体管(ofet)是多功能器件，可以用作各种显示器、射频识别标签、电子纸和传感器的底板。为了高效运行和商业可行性，高载流子迁移率μ(cm
2 v-1
s-1
)是我们努力的前提和目标。然而，只有几个基于高结晶有机材料的ofet的电荷迁移率超过10cm
2 v-1
s-1
，虽然这一值远高于非晶态有机薄膜的电荷迁移率，但仍远低于无机半导体的电荷迁移率。因此，深入了解有机电致发光材料的基本性质及其电荷传输机制，对于设计高质量的有机材料是十分必要的。研究发现，单晶ofet总是表现出很高的本征迁移率，甚至表现出带状输运行为。这是由于完美的分子有序和没有外在无序的优点。因此，单晶为探索电子载流子的本征性质及其与特定材料微观结构的关系打开了一扇门。
3.根据工作原理和器件结构的不同，目前国内外研究的有机非易失性存储器可以分为基于有机场效应晶体管结构的浮栅型、驻极体型和铁电型存储器件。有机场效应晶体管存储器的主要表征参数是转移曲线、输出曲线、载流子迁移率、存储窗口、读写擦循环、维持时间等。如今大量工作致力于寻找一种新材料具有较高的的存储密度，高传输速度，多阶存储，光电协同调控。现有技术中，聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器器件载流子迁移率不高，以及读写擦和维持方面开关比较差。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器及其制备方法，能够提高器件载流子迁移率，以及提高改善读写擦和维持方面开关比。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器，包括自上而下依次设置的源漏电极层，有机半导体层，电荷俘获储层，界面修饰层，栅绝缘层以及作为衬底的栅极层，所述界面修饰层修饰在栅绝缘层表面，所述栅绝缘层位于所述栅电极层上面。
7.所述栅绝缘层的材料为二氧化硅；所述源漏电极层的材料为金属au；所述机半导体层的材料为并五苯；所述栅电极层选用高掺杂硅。
8.所述栅绝缘层的厚度为50nm；所述源漏电极层的厚度为25nm；所述有机半导体的厚度为30-50nm。
9.一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法，包括以下步骤：
10.步骤a，将聚苯乙烯放入甲苯中，配置得到聚苯乙烯的甲苯溶液；
11.步骤b，将栅电极层以及其上生长栅绝缘层进行切割，并进行清洗和烘干处理，得到烘干处理后洁净的基底；
12.步骤c，将基底放置紫外臭氧处理；
13.步骤d，将步骤c紫外臭氧处理后的基底放入真空镀膜机，蒸镀沉积f4-tcnq，在栅绝缘层表面修饰得到界面修饰层，蒸镀完进行冷却；
14.步骤e，将步骤a配制好的聚苯乙烯的甲苯溶液用过滤网过滤，用移液枪吸取并注射在步骤d中制备的基底上旋涂制膜，将旋涂好的样品放置烘箱内烘干，去除多余溶剂，在界面修饰层表面形成电荷俘获储层；
15.步骤f，将步骤e制备好的样品再次放入真空蒸镀机里蒸镀有机半导体层并五苯，在电荷俘获储层表面形成有机半导体层
16.蒸镀完进行冷却；
17.步骤g，将步骤f制备好的样品再次放入真空蒸镀机里蒸镀金属电极au，在有机半导体层表面形成源漏电极层，蒸镀完进行冷却。
18.步骤a中，聚苯乙烯的甲苯溶液浓度为2mg/ml，配置结束后常温搅拌12h。
19.步骤b中，切割大小为1.5
×
1.5cm；水洗为依次经过20min丙酮，20min乙醇，20min去离子水清洗；烘干温度为120℃；步骤c中，紫外臭氧处理时间为10min。
20.步骤d中，真空度控制在5*10-4
pa，均匀速率1hz/s，蒸镀时间120s。
21.步骤e中，蒸镀调控转速3000rpm匀速旋转30s，烘箱烘干温度为80℃，时间为30min。
22.步骤f中，蒸镀控制速率时长800s，真空度控制在5
×
10-4
pa以下。
23.步骤g中，蒸镀控制速率时长3000s，真空度控制在5
×
10-4
pa以下。
24.本发明的有益效果：本发明提供的一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器及其制备方法，在栅绝缘层表面修饰得到f4-tcnq界面修饰层，修饰了硅片上sio2的表面，有效地改善基底sio2的界面，提高了器件的性能，且f4-tcnq具有电子亲和力，提高了载流子的传输，提高器件的性能；本发明所提供的有机场效应晶体管存储器电荷存储层采用蒸镀法制备，具有制备工艺简单，具有可大面积制备的特点，且本发明采用的材料易获取；本发明所提供的有机场效应晶体管存储器在较低的操作电压条件之下即可出现较高的电流开关比，具有很好的晶体管性能；本发明所提供的有机场效应晶体管存储器具有二阶存储，八十次读写擦循环测试稳定，一万一千秒维持时间测试无明显的电荷泄漏情况。较低的阈值电压(-1.57v)和高开关比(大于106)；本发明所提供的有机场效应晶体管存储器能够光电共同调控存储状态；本发明所提供的有机场效应晶体管存储器制备工艺简单，可大面积制备调控薄膜相貌。
附图说明
25.图1是本发明制备得到的有机场效应晶体管存储器器件结构图；
26.图2是本发明实施例制备的有机场效应晶体管存储器蒸镀f4-tcnq的afm表面形貌；
27.图3是本发明实施例制备的蒸镀f4-tcnq之后旋涂ps的薄膜形貌；
28.图4是本发明实施例制备的蒸镀f4-tcnq之后旋涂ps，再蒸镀并五苯的形貌；
29.图5是制备的有机场效应晶体管存储器的转移特性曲线：其中a是对比例制备的纯ps薄膜制备的有机场效应晶体管存储器的转移特性曲线，b是实施例制备的蒸镀了f4-tcnq制备的有机场效应晶体管存储器的转移特性曲线；
30.图6是本发明实施例制备的有机场效应晶体管存储器的输出特性曲线：
31.图7是本发明实施例制备的有机场效应晶体管存储器的存储窗口特性曲线；
32.图8是本发明实施例制备的有机场效应晶体管存储器的读写擦循环特性曲线；
33.图9是本发明实施例制备的有机场效应晶体管存储器的维持时间特性曲线；
34.图10是传统的有机场效应晶体管存储器器件结构图。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
36.实施例
37.本发明公开一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法，包括以下步骤：
38.步骤一，配制ps溶液：配制2mg/ml的ps/甲苯溶液，将聚苯乙烯放入甲苯中，常温搅拌12h后备用。
39.步骤二，将n型重掺杂硅及在其之上生长的50nm栅绝缘层的硅片切割成1.5
×
1.5cm的大小，并依次经过20min丙酮，20min乙醇，20min去离子水清洗，之后于120℃烘干处理备用。
40.步骤三，将烘干处理后洁净的基底放置紫外臭氧处理10min。
41.步骤四，将步骤三，制备完的基底放入真空镀膜机，真空度控制在5*10-4
pa，均匀速率1hz/s蒸镀120s沉积f4-tcnq，并进行冷却半小时以上。修饰层的制备是采用蒸镀适量的f4-tcnq来制备的，形成了一层离散的界面修饰层。图2为蒸镀f4-tcnq后的afm形貌图。
42.步骤五，将步骤一配制好的溶液用过滤网过滤，用移液枪吸取并注射在步骤四中制备的基底上旋涂制膜，调控转速3000rpm匀速旋转30s，将旋涂好的样品放置在80℃的烘箱内30min，去除多余溶剂，获得电荷存储层。图3为旋涂后器件薄膜的afm形貌。
43.步骤六，将步骤五制备好的样品再次放入真空蒸镀机里蒸镀有机半导体层并五苯，控制速率真空度控制在5
×
10-4
pa以下，时长800s，过后冷却半小时以上。图4中b所示为并五苯薄膜afm形貌。
44.步骤七，将步骤六制备好的样品再次放入真空蒸镀机里蒸镀金属电极au，控制速率真空度控制在5
×
10-4
pa以下，时长3000s，过后冷却半小时以上。其中掩模版的沟道宽度为1500um，长度为100um。
45.在上述场效应晶体管存储器制备过程中，实验室的室温始终恒定在25℃，湿度保
持在50％以下。另外，并五苯和四氟四氰二甲基对苯醌购买自tci公司。
46.如图1所示，本发明制备得到的基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器，包括自上而下依次设置的源漏电极层，有机半导体层，电荷俘获储层，界面修饰层，栅绝缘层以及作为衬底的栅极层，界面修饰层修饰在栅绝缘层表面，栅绝缘层位于栅电极层上面。栅绝缘层的材料为二氧化硅；源漏电极层的材料为金属au；机半导体层的材料为并五苯；栅电极层选用高掺杂硅。栅绝缘层的厚度为50nm；源漏电极层的厚度为25nm；有机半导体的厚度为30-50nm。
47.对比例
48.本实施例为不加界面修饰层的聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法，包括以下步骤：
49.步骤一，将聚苯乙烯280k材料溶于甲苯溶剂中，其浓度为2mg/ml，常温条件下搅拌12h使其完全溶解，静置备用。
50.步骤二，将n型重掺杂硅及在其之上生长的50nm栅绝缘层切割成1.5
×
1.5cm的大小，并依次经过20min丙酮，20min乙醇，20min去离子水超声清洗，120℃烘干处理。
51.步骤三，将烘干处理后洁净的基底放置紫外臭氧处理10min。
52.步骤四，用移液枪吸取配制好的ps溶液并在洁净的基底上旋涂制膜，调控转速3000rpm匀速旋转30s，将旋涂好的样品放置在80℃的烘箱内30min，去除多余溶剂。
53.步骤五，真空蒸镀并五苯和源漏铜电极的蒸镀速率分别为和真空度控制在5*10-4
pa。其中掩模版的沟道宽度为1500um，长度为100um。对比例制备得到的晶体管存储器如图10所示。
54.晶体管存储器制备完成后，分别使用keithley 4200测试实施例和对比例制备得到的存储器件的电学性能，图5中a为对比例存储器器件的转移曲线，载流子迁移率为0.43cm
2 v-1
s-1
，阈值电压(-2.84v)，开关比大于106。图5中b为实施例存储器器件的转移曲线，载流子迁移率为1.08cm
2 v-1
s-1
，阈值电压(-1.57v)，开关闭大于106。从数据对比可知，本发明改善了基于纯ps有机场效应晶体管存储器迁移率小的特点。
55.图6为本发明实施例存储器件的输出曲线，固定v
ds
＝-15v，在0v，-2v，-4v，-6v，-8v，-10v不同栅压条件测试输出曲线，可以看出器件具有良好的场效应。
56.图7为本发明实施例存储器件的存储窗口曲线，可以看出正向最大存储窗口为20v，且随着栅压的增大而增大。
57.图8为本发明实施例存储器件的80次读写擦循环测试，可见并没有出现明显的变化。
58.图9为存储器件的数据维持能力的测试，11000秒维持并没有明显的电荷泄露的现象，表明数据保留能力可靠。
59.从上述的表征结果对比说明，本发明涉及到的一种改善基于纯ps的有机场效应晶体管存储器的方法，提高了器件的迁移率和存储窗口，降低了器件的开启电压，降低了对能量的损耗，便于推广及集成商业化应用。
60.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器，其特征在于：包括自上而下依次设置的源漏电极层，有机半导体层，电荷俘获储层，界面修饰层，栅绝缘层以及作为衬底的栅极层，所述界面修饰层修饰在栅绝缘层表面，所述栅绝缘层位于所述栅电极层上面。2.根据权利要求1所述一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器，其特征在于：所述栅绝缘层的材料为二氧化硅；所述源漏电极层的材料为金属au；所述机半导体层的材料为并五苯；所述栅电极层选用高掺杂硅。3.根据权利要求1所述一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器，其特征在于：所述栅绝缘层的厚度为50nm；所述源漏电极层的厚度为25nm；所述有机半导体的厚度为30-50nm。4.一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤a，将聚苯乙烯放入甲苯中，配置得到聚苯乙烯的甲苯溶液；步骤b，将栅电极层以及其上生长栅绝缘层进行切割，并进行清洗和烘干处理，得到烘干处理后洁净的基底；步骤c，将基底放置紫外臭氧处理；步骤d，将步骤c紫外臭氧处理后的基底放入真空镀膜机，蒸镀沉积f4-tcnq，在栅绝缘层表面修饰得到界面修饰层，蒸镀完进行冷却；步骤e，将步骤a配制好的聚苯乙烯的甲苯溶液用过滤网过滤，用移液枪吸取并注射在步骤d中制备的基底上旋涂制膜，将旋涂好的样品放置烘箱内烘干，去除多余溶剂，在界面修饰层表面形成电荷俘获储层；步骤f，将步骤e制备好的样品再次放入真空蒸镀机里蒸镀有机半导体层并五苯，在电荷俘获储层表面形成有机半导体层蒸镀完进行冷却；步骤g，将步骤f制备好的样品再次放入真空蒸镀机里蒸镀金属电极au，在有机半导体层表面形成源漏电极层，蒸镀完进行冷却。5.根据权利要求4所述的一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征在于：步骤a中，聚苯乙烯的甲苯溶液浓度为2mg/ml，配置结束后常温搅拌12h。6.根据权利要求4所述一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征在于：步骤b中，切割大小为1.5
×
1.5cm；水洗为依次经过20min丙酮，20min乙醇，20min去离子水清洗；烘干温度为120℃；步骤c中，紫外臭氧处理时间为10min。7.根据权利要求4所述的一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征在于：步骤d中，真空度控制在5*10-4
pa，均匀速率1hz/s，蒸镀时间120s。8.根据权利要求4所述的一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征在于：步骤e中，蒸镀调控转速3000rpm匀速旋转30s，烘箱烘干温度为80℃，时间为30min。9.根据权利要求4所述的一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征在于：步骤f中，蒸镀控制速率时长800s，真空度控制在5
×
10-4
pa以下。
10.根据权利要求4所述的一种基于蒸镀f4-tcnq改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法，其特征在于：步骤g中，蒸镀控制速率时长3000s，真空度控制在5
×
10-4
pa以下。

技术总结
本发明公开了一种基于蒸镀F4-TCNQ改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器，包括自上而下依次设置的源漏电极层，有机半导体层，电荷俘获储层，界面修饰层，栅绝缘层以及作为衬底的栅极层，界面修饰层修饰在栅绝缘层表面，栅绝缘层位于栅电极层上面。本发明还公开一种基于蒸镀F4-TCNQ改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器制备方法。本发明提供的一种基于蒸镀F4-TCNQ改善聚苯乙烯有机场效应晶体管存储器及其制备方法，能够提高器件载流子迁移率，以及提高改善读写擦和维持方面开关比。提高改善读写擦和维持方面开关比。提高改善读写擦和维持方面开关比。


技术研发人员：仪明东 俞松城 沈筠皓 王宇 缪雨彤 李雯
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/25