[发明专利]一种超高电荷迁移率的高分子场效应晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机半导体场效应晶体管技术领域，具体涉及一种利用电纺丝方法，结合贵金属纳米粒子掺杂技术制备超高电荷迁移率的高分子场效应晶体管的方法。

背景技术

场效应晶体管作为电子器件的重要组成部分，现今吸引了大量的研究目光，衡量其优劣的最重要参数是场效应电荷迁移率。随着电子工业的不断发展，有机场效应晶体管格外受到重视，这是因为其低廉的造价、天生的柔性、以及更容易大面积使用等特点，导电高分子在这一个领域发挥了重要作用。然而有机场效应晶体管的迁移率很低，一般在0.01cm²/Vs以下，这限制了其真正的应用与发展。近年来为了提高高分子有机场效应晶体管的迁移率，研究者大量采用控制分子结构规则性的方法来减少分子结构缺陷，提高电荷-电荷的传导，进而增加场效应迁移率。然而现有的高分子基有机场效应晶体管的迁移率仍普遍较低，尚需要进一步提高，以满足日益发展的电子工业需求。并且以往的方法有时会需要复杂的表面处理或者长时间的退火过程去提高分子规整度，这会使制备工艺异常复杂，价格急剧升高，不利于推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用电纺丝技术，结合贵金属纳米粒子掺杂制备超高电荷迁移率的高分子场效应晶体管的方法。

一维微纳米结构由于具有大的比表面积与长径比，因而具备了优异的电学特性，近年来备受关注。电纺丝技术恰是一种独特的能够生产超长连续化的一维微纳米材料的方法。研究者已经证明电纺丝是一种有效的、方便的组装电子器件的新方法。因此在本发明中，我们提供一种利用电纺丝技术，结合贵金属纳米粒子掺杂制备超高场效应电荷迁移率的高分子复合材料的方法。该高分子复合材料是以贵金属纳米粒子为填充材料，以导电高分子为基体材料，通过原位掺杂或后处理掺杂等手段获得核壳纳米纤维结构。将所获得的贵金属纳米粒子掺杂的核壳纳米纤维组装成场效应晶体管，场效应晶体管具有超高的电荷迁移率，几乎超越了绝大多数的高分子基晶体管。如，金掺杂的聚丙烯腈/聚苯胺核壳纳米纤维和金掺杂的聚丙烯腈/聚噻吩核壳纳米纤维的场效应最大电荷迁移率可以分别达为9.37cm²/Vs与10.35cm²/Vs。

本发明所述方法具有工艺简单，成本低廉，重复性好的特点，能够制备出高电荷迁移率的高分子场效应晶体管，必将为高分子场效应晶体管的发展与应用开拓新的思路。

本发明所述的超高电荷迁移率的高分子场效应晶体管的制备方法，其步骤如下：

一：贵金属掺杂核壳纤维材料的制备

原位掺杂法(气相聚合)：

A.将电纺丝高分子材料和贵金属盐共同溶解到溶剂(二甲基甲酰胺，乙醇，二氯甲烷，丙酮等)中，在20～80℃下搅拌3～8h，然后将得到的混合溶液冷却至室温；混合溶液中，电纺丝高分子材料的质量分数为5～10wt％，贵金属盐的质量分数为1～10wt％；

B.将步骤A获得的混合溶液放入到电纺丝设备的玻璃喷丝管中，玻璃喷丝管的管头内径为0.5～3mm，电纺丝设备的工作电压为10～20kV，以铝套为阳极，以两条平行的铝条为阴极接收板，阳极与阴极接收板间的距离为10～30cm，进行电纺丝，从而在阴极接收板上获得排列的电纺丝高分子纳米纤维；

C.用清洗后的石英片把两条平行的铝条间的电纺丝高分子纳米纤维收集起来，然后将该石英片置于导电高分子单体的饱和蒸汽中，在20～110℃下进行气相聚合；在气相聚合过程中，电纺丝高分子纳米纤维中的贵金属盐起到氧化剂的作用，它引发导电高分子单体在电纺丝高分子纳米纤维表面聚合，最终形成导电高分子壳层，同时贵金属盐也被还原成为无数微小的贵金属纳米粒子，均匀的掺杂在电纺丝高分子纳米纤维和导电高分子中，从而在石英片衬底上得到以导电高分子材料为壳，以电纺丝高分子纳米纤维为核的核壳纤维；

当导电高分子为聚苯胺类化合物的时候，聚合的温度在50～70摄氏度；当导电高分子为聚噻吩类化合物的时候，聚合的温度为90～110摄氏度；当导电高分子为聚吡咯类化合物的时候，聚合的温度为20～60摄氏度。

后处理掺杂法(液相聚合)：

按照前面步骤的工艺条件，先将高分子材料和贵金属盐混纺成电纺丝高分子纳米纤维，用石英片衬底接收，再用还原剂(水合肼、柠檬酸盐、乙二醇或甲醛等)将贵金属盐还原成纳米粒子；然后再将石英片衬底浸入到导电高分子单体的饱和溶液中，然后引发(过硫酸铵、三氯化铁等作为氧化剂)聚合形成掺杂有贵金属纳米粒子的核壳纤维。

二：场效应晶体管的组装，场效应晶体管采用顶栅顶接触结构。