【摘 要】
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随着平板显示领域向低成本、大尺寸和绿色加工方向发展,其对薄膜晶体管(TFT)背板技术的要求也越来越高。相比于传统的真空制造工艺和光刻工艺,喷墨打印作为一种非接触式的微纳尺度净成型加工技术,加工过程环保,适合大面积加工,可以节省材料、设备和时间成本,使得TFT可以作为一种低廉的电子器件得到大面积应用。本文围绕喷墨打印加工的氧化物TFT开展了相关的研究,在基于咖啡环的印刷图形化工艺、墨水的可打印性和铺
【基金项目】
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科技部973项目(2015CB655000); 国家重点研发计划“战略性先进电子材料”专项(2016YFB0401105); 国家自然科学基金(U1601651,51673068,61204087)
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随着平板显示领域向低成本、大尺寸和绿色加工方向发展,其对薄膜晶体管(TFT)背板技术的要求也越来越高。相比于传统的真空制造工艺和光刻工艺,喷墨打印作为一种非接触式的微纳尺度净成型加工技术,加工过程环保,适合大面积加工,可以节省材料、设备和时间成本,使得TFT可以作为一种低廉的电子器件得到大面积应用。本文围绕喷墨打印加工的氧化物TFT开展了相关的研究,在基于咖啡环的印刷图形化工艺、墨水的可打印性和铺展性、双层电极氧化物TFT和基于乙二醇溶剂的氧化铝介质层方面取得了进展,为今后喷墨打印氧化物TFT的大面积应用做了一些探索性工作。取得主要研究成果如下:(1)研究了基于咖啡环效应的喷墨刻蚀,探讨了液滴间距、打印层数以及层数时间间隔对形貌的影响,并据此制备了不同形貌的疏水咖啡环,作为墨水铺展的限定条纹,解决了墨水的图形控制问题。其次研究了几种常见溶剂墨水的可打印性,探讨了墨水参数、喷嘴温度等对可打印性的影响;在此基础上,将墨水打印在咖啡环里面,探讨了基板处理和不同溶剂对墨水铺展性的影响。在墨水可打印性和铺展性方面做出的相关研究,对于墨水的配制有一定的指导作用。最后,利用上述喷墨刻蚀技术,打印制备了短沟道电极,为实现高精度喷墨打印提供一种方法。以上成果有望为实现更高分辨率的喷墨打印提供了一定的参考。(2)研究了喷墨打印Ag电极与半导体层的界面接触特性。研究发现Ag纳米颗粒的严重扩散、Ag墨水溶剂对半导体层的侵蚀、界面处残留的有机物和Ag2O的形成是导致基于Ag电极的氧化物TFT性能恶化的主要因素。通过在Ag电极和半导体层中间插入喷墨打印的氧化铟锡(ITO)缓冲层,可以阻隔Ag纳米颗粒在半导体层的扩散。此外,ITO缓冲层可以与Ag和半导体形成良好的接触特性,大大降低了接触电阻。基于Ag/ITO双层电极的TFT较基于单层Ag电极的性能得到大幅提升:迁移率达16.0cm~2V-1s-1、开关比达到6.2×10~7,亚阈值摆幅为174 m V/Decade,阈值电压为-2.0V。该结果证明了印刷Ag电极在氧化物TFT的应用潜力,并有助于建立导电氧化物薄膜和金属导电纳米材料堆叠结构的复合导电薄膜体系,实现优势互补。(3)研究了基于乙二醇(EG)溶剂的印刷氧化铝介质层的大电容效应和二极管效应。通过分析基于不同溶剂介质层的电学特性,发现用含EG溶剂的介质层制备的器件准静态电容很大,漏电流具备单向导通性。进一步分析发现含EG溶剂介质层中碳残留、未能完全分解的NO3-和薄膜中较多的氧空位导致了电容频率依赖性强;漏电流呈现单向导通性是因为介质层与喷墨打印的ITO电极之间形成二极管效应。为了实现基于EG溶剂的氧化铝在TFT中的应用,制备了全喷墨打印TFT来抑制漏电流,其原理是在结构上形成两个背向的界面二极管,使电路开路。这为抑制漏电流提供了一种新的思路。制备的器件击穿场强大于10MV/cm,且电场强度为10MV/cm时漏电流密度仅为3.4×10-7A/cm~2。最后建立了相应的电路模型分析漏电流的新特性。
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