一种基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的制备方法

1.本发明涉及有机光电器件技术领域，尤其涉及一种基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的制备方法。


背景技术：

2.在过去的十几年里，有机电子器件和有机光子器件的研究与实际应用都取得了跨越式的进步，这些器件典型代表包括有机场效应晶体管（ofets）、有机发光二极管（oleds）、有机太阳能电池（opvs）以及有机激光器（olds）等，有机电子和光子器件是可穿戴设备、柔性显示、光电探测、有机激光显示器以及生物传感等应用的重要基础元件。而随着人们对柔性电子皮肤、智能人机交互等多功能化集成产品的需求，仅具有单一功能的有机电子或光子器件无法满足系统的集成度。
3.由于整合科学和技术方面存在着诸多难题，具有多功能特性的光电集成仍然难以实现。一个常见的策略是将光学元件整合到电子元件中。作为电子逻辑的关键组成部分之一，电子晶体管被认为是高密度芯片上集成光电子电路的主要器件结构。研究者们已经提出了一些基于ofet结构的用于有机光电集成的多功能晶体管，例如有机光敏探测器件、光电开关器件和场效应光波导器件。
4.有机激光材料具有种类丰富，色彩可以覆盖整个可见光谱，和可溶液加工等诸多优势，可广泛应用于生物医学研究、显示以及多功能集成光电器件等领域。因此将有机激光即光放大功能引入ofet结构中，有望实现新型的多功能有机光电集成器件。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的制备方法，将dfb光栅结构引入pdms中，并将其作为ofet的介电层，选用合适的有机激光材料，所制备的器件具有场效应功能和光放大功能。
6.为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：一种基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将pdms预聚物与固化剂混合，添加溶剂按照溶剂：pdms的体积比为2：1，得pdms溶液；步骤2，将pdms溶液滴在洁净的dfb光栅模板上进行旋涂；步骤3，将洁净的栅极覆盖到步骤2中带有pdms的dfb光栅模板上，加压后进行热固化处理，再将栅极与光栅模板分离后，在栅极表面留下具有dfb光栅结构的pdms薄膜层，再对其进行紫外臭氧处理，其中，具有dfb结构的pdms栅介电层（pdms-dfb）的光栅纳米沟槽周期结构的占空比为30%~70%，沟槽深度为10 nm~100 nm，周期范围为200 nm~3 μm；步骤4，在pdms-dfb表面制备厚度为110 nm~160 nm单层结构的有源层；步骤5，在有源层上制备源极与漏极，即得所述的基于ofet结构的光放大器件。
7.作为改进的是，步骤1中所述的溶剂为正己烷、环己烷、或甲苯中一种；所述pdms预
聚物与固化剂的体积比为10：1。
8.作为改进的是，步骤3中所述的热固化处理的温度为150℃，处理时间为6 min；步骤3中所述的pdms栅介电层的紫外臭氧处理时间为50 min~ 80 min。
9.作为改进的是，步骤4中所述的有源层通过旋涂、浸涂、刮涂或真空热蒸镀制备。
10.作为改进的是，步骤5中所述的源极和漏极均通过真空热蒸镀制备。
11.作为改进的是，步骤4中所述有源层的材料为tat-3l（以三并咔唑为核二苯胺封端的梯形星型分子），聚（9,9-二正辛基芴-alt-苯并噻二唑）（f8bt），或聚(2,2_二辛基芴)（pfo）中的一种或多种。
12.作为改进的是，所述的栅极、源极和漏极的材料为金属或金属氧化物的一种或多种混合。
13.进一步改进的是，所述金属为金、银、铝或铜；所述的金属氧化物为氧化铟锡、氧化铟锌、二氧化锰或二氧化铅。
14.作为改进的是，步骤3中所述的pdms薄膜层的厚度为1.8~2.2 μm，所述栅极的厚度为100 nm~300 nm。
15.作为改进的是，步骤5中所述的源极和漏极的厚度均为10 nm~100 nm。
16.有益效果：与现有技术相比，本发明一种基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的制备方法，具有以下优势：(1)本发明采用简易高效的转印法，将dfb光栅结构引入超薄弹性绝缘聚合物中，使其能够作为ofet的介电层，还能够作为光反馈结构实现光放大功能；(2)该类器件的有源层可灵活改变其结构及材料种类，以实现器件良好的电性能与光性能，可推进有机光电集成器件的发展；(3)本发明光放大器件的光电性能优良且高于单一的有机电子和光子器件，有望成为新型的多功能有机光电集成器件。
附图说明
17.图1为本发明实施例1制备的一种基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的结构示意图，其中，1-源极，2-漏极，3-有源层，4
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具有dfb结构的栅介电层，5-栅极；图2为实施例1中以tat-3l为有源层的器件的转移曲线图；图3为实施例1中以tat-3l为有源层的器件的激光性能图；图4为实施例2中以pbttt-c14/tat-3l为有源层的器件的转移曲线图；图5为实施例1中以pbttt-c14/tat-3l为有源层的器件的输出曲线图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
19.一种基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将pdms预聚物与固化剂混合，添加溶剂按照溶剂：pdms的体积比为2：1，得pdms溶液；步骤2，将pdms溶液滴在洁净的dfb光栅模板上进行旋涂；步骤3，将洁净的栅极覆盖到步骤2中带有pdms的dfb光栅模板上，加压后进行热固化处理，再将栅极与光栅模板分离后，在栅极表面留下具有dfb光栅结构的pdms薄膜层，再对其进行紫外臭氧处理，其中，具有dfb结构的pdms栅介电层（pdms-dfb）的光栅纳米沟槽周期结构的占空比为30%~70%，沟槽深度为10 nm~100 nm，周期范围为200 nm~3 μm；步骤4，在pdms-dfb表面制备厚度为110 nm~160 nm单层结构的有源层；步骤5，在有源层上制备源极与漏极，即得所述的基于ofet结构的光放大器件。
20.作为改进的是，步骤1中所述的溶剂为正己烷、环己烷、或甲苯中一种；所述pdms预聚物与固化剂的体积比为10：1。
21.作为改进的是，步骤3中所述的热固化处理的温度为150℃，处理时间为6 min；步骤3中所述的pdms介电层的紫外臭氧处理时间为50 min~ 80 min。
22.作为改进的是，步骤4中所述的有源层通过旋涂、浸涂、刮涂或真空热蒸镀制备。
23.作为改进的是，步骤5中所述的源极和漏极均通过真空热蒸镀制备。
24.作为改进的是，步骤4中所述有源层的材料为tat-3l（以三并咔唑为核二苯胺封端的梯形星型分子），聚（9,9-二正辛基芴-alt-苯并噻二唑）（f8bt），聚(2,2_二辛基芴)（pfo）中的一种或多种。
25.作为改进的是，所述的栅极、、源极和漏极的材料为金属或金属氧化物的一种或多种混合。
26.作为改进的是，所述金属为金、银、铝或铜；所述的金属氧化物为氧化铟锡、氧化铟锌、二氧化锰或二氧化铅。
27.作为改进的是，步骤3中所述的pdms薄膜层的厚度为1.8~2.2 μm，所述栅极的厚度为100 nm~300 nm。
28.作为改进的是，步骤5中所述的源极和漏极的厚度均为10 nm~100 nm。
29.实施例1以tat-3l作为单层有源层结构的器件制备：采用转印法在栅极表面获得了具有dfb光栅结构的pdms介电层，其周期为360 nm，沟槽深度为30 nm，占空比为50%，然后在pdms上旋涂制备有源层，再沉积源极和漏极。本发明所用tat-3l参考《基于给受体的梯形材料的设计合成与激光性能研究》，方媚，2017进行制备。
30.(1)栅介电层具体制备步骤如下：a. 将粘稠态的pdms预聚物和固化剂以10: 1体积比混合，加入环己烷溶剂制备成溶液态 pdms，其中，环己烷溶剂与pdms体积比为2:1；b. 取pdms溶液30 μl 置于洁净的光栅模板上进行旋涂，设置旋涂速度为9000 rpm，加速度为6000 rpm/s；c. 将洁净的ito/玻璃的ito面覆盖在b步骤旋涂后的pdms表面上，紧密贴合并施加压力，然后进行热固化处理，设置温度为150℃，时间6min，冷却后将光栅模板与ito/玻璃分离；d. 对ito上的pdms介电层进行紫外臭氧处理60 min；
(2)单层有源层制备：选择tat-3l为单层有源层材料，以氯仿为溶剂，制溶液浓度为20 mg/ml；设置旋涂转速为1200 rpm，加速度为1000 rpm/s，制备的有源层厚度为120 nm。
31.(3)源极和漏极制备：在有源层上通过真空热镀源极和漏极，使用材料为au，器件沟道比（w/l）为5.8，沟道方向与光栅沟槽方向平行，热蒸发真空度约为1
×
10-4 pa，蒸发速率为0.1~1
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/s，制备厚度为50 nm，即完成基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的制备。结构如图1所示。
32.对基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的电性能测试：利用keithley 4200 scs 半导体参数分析仪测试制备的器件的转移特性曲线图（如图2所示），其中源漏电压vd=
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80 v。
33.对基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的光放大性能测试：利用nd
3
:yag激光器（continuum-surelite）、光参量振荡器（optical parameter oscillator，opo）、光纤光谱仪（andor-sr-500i-a）和ccd探测器（du420a-bu）测试制备器件的激光性能图（如图3所示），其中基频激光波长为 355 nm，频率均为 10 hz，脉冲宽度为 5 ns泵浦光波长为450 nm。
34.实施例2在本发明中所述的有源层的激光材料可以tat-3l（以三并咔唑为核二苯胺封端的梯形星型分子），聚（9,9-二正辛基芴-alt-苯并噻二唑）（f8bt），或，聚(2,2_二辛基芴)（pfo）。
35.迁移率材料为聚(2,5-双(3-十四烷基噻吩-2-基)噻吩并[3,2-b]噻吩)（pbttt-c14）、或2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（c8-btbt）。
[0036]
叠层通过迁移率材料与激光材料组成。
[0037]
（1）与实施例1器件制备过程不同的是有源层为叠层结构。首先在栅介电上旋涂pbttt-c14薄膜，以甲苯为溶剂，溶液浓度为1 mg/ml，旋涂速度为6000 rpm，加速度为4000 rpm/s，在氮气氛围下80℃退火6 min，厚度为40 nm；然后在pbttt-c14薄膜上按实施例1的实验条件制备tat-3l薄膜，厚度为120 nm。
[0038]
（2）器件的性能测试：利用keithley 4200 scs 半导体参数分析仪测试制备的器件的转移特性曲线图（如图4所示），其中源漏电压vd=
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40 v；测试制备的器件e的输出特性曲线图（如图5所示），其中栅压vg=-40-0 v。
[0039]
本发明所提供的一种基于有机场效应晶体管结构的光放大器件的制备方法，工艺简单，重复性高，并通过实施例验证了该器件具有优异的激光性能，并具有电荷传输性能，该器件有望成为新型有机光电集成器件研究的理想平台。
[0040]
以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做些许的变得或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案内。