[发明专利]一种ZnO纳米薄膜半导体油墨及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于印刷电子技术领域，具体涉及到一种ZnO纳米薄膜半导体油墨及其制备方法和其在印刷电子领域应用。

背景技术

随着大规模集成电路的加工工艺日益复杂，所需的加工设备价格昂贵，而市场对于中低端电子元器件的需求却日益上升，印刷电子这一非硅基的电子技术得到了高速发展。相比于传统的硅基制造工艺，印刷电子技术具有低成本，能够在各种基底上大规模生产制造、绿色环保的特点[Proc. IEEE. 2012, 100(5): 1486.]。印刷电子技术中印刷是手段，具体电子器件的制造需要不同的材料。通常是将材料配制成油墨，通过印刷工艺来制备电子器件[Adv. Mater. 2015, 27(22): 3349.]。

半导体材料作为电子元器件的核心组成部分，因此合成可溶液化的半导体材料是构造电子器件的关键所在[Adv. Mater. 2016, 28(29) :6136.]。虽然有机半导体材料具有较好溶液加工性能，良好的柔性，但是其载流子迁移率很低，环境稳定性差以及难以构建CMOS互补电路。而无机半导体材料具有高的载流子迁移率，优异的环境稳定性[J. Am. Chem. Soc. 2011, 133(133):3272.], ZnO由于自然储量丰富，成本低廉，结构多样化，是有望大规模应用的无机半导体材料[Adv. Mater. 2010, 20(18) :3383.]。对于ZnO纳米线、纳米颗粒的研究已经屡见不鲜[Chem. Rev. 2015,115(23): 12633.]。但是相比与二维纳米薄膜，纳米颗粒溶液印刷得到的功能层中界面众多，导致载流子迁移率下降，纳米线溶液得到的功能层中有诸多孔隙存在，难以得到致密结构。而ZnO纳米薄膜配制成墨水印制得到的功能层具有极高的表面的覆盖率，减少了孔隙，同时也减少了接触界面，提高了载流子迁移率。与此同时，二维纳米薄膜具有良好的柔性，即使印刷所得的功能层发生形变，纳米薄膜发生弯曲，薄膜之间也能相互接触，防止器件失效[Nano Lett. 2014, 14(11): 6547.]。

ZnO纳米薄膜的柔性一定程度上受到厚度的影响[Nanotechnology. 2015,26(36): 364001.]，但是现有的ZnO纳米薄膜的合成方法或难实现厚度的精确控制，或合成步骤复杂，或成本高昂。因此，寻找简单可行、能够大量制备ZnO纳米薄膜的方法是印制各种电子器件的前提。

本发明提出一种新颖的合成ZnO纳米薄膜的方法，即将原子层沉积的优势用于制备ZnO纳米薄膜。首先以多孔聚氨酯为模板进行ZnO的循环沉积，调控循环的次数，精确控制ZnO纳米薄膜的厚度。接着在O₂气氛中进行高温处理，可得到ZnO纳米薄膜。随后，将ZnO纳米薄膜与胶粘剂一起加入到合适的溶剂中，即可配制成油墨。

发明内容

本发明的目的是提供一种印刷电子所用半导体油墨（即ZnO纳米半导体薄膜油墨）及其制备方法，以克服传统ZnO纳米线和ZnO纳米颗粒印刷的半导体功能层中界面多，表面覆盖率不足，抗形变能力差的问题。

本发明提出的ZnO纳米薄膜半导体油墨的制备方法，具体步骤为：

（1）利用原子层沉积设备在多孔聚氨酯模板上生长ZnO纳米薄膜：

将原子层沉积设备反应腔室的温度设定为130~200 ℃，待达到所需温度后将模板海绵放入腔室；先将前驱体1（锌源）脉冲进入反应腔室，前驱体温度控制为30~45 ℃，脉冲时间20~50 ms，反应时间4~6 s，半反应完成后，N₂清洗腔体20~30 s；然后将前驱体2（氧源）脉冲进入反腔室，前驱体温度控制为45~60 ℃，脉冲时间20~50 ms，反应时间4~6 s，第二个半反应完成后，N₂清洗腔体20~50 s，至此一个沉积循环完成；设定的循环次数结束后，薄膜的沉积过程完成；

（2）将沉积有ZnO纳米薄膜的多孔聚氨酯模板放置于到石英坩埚中，置于气氛马弗炉中，以0.5~2升/分钟的流速通入O₂，500~700 ℃灼烧为3~5小时，待其自然冷却后，即可得到较为纯净的具有柔性的ZnO二维纳米薄膜；

（3）将得到的ZnO纳米薄膜依次在酒精和去离子水中超声清洗，除去可能残留的有机物和无机杂质，取上清液烘干，可得到纯净的ZnO纳米薄膜；