[发明专利]一种柔性金属衬底及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种用于制作柔性薄膜晶体管或薄膜二极管的柔性金属衬底，该柔性金属衬底包括金属箔片和附着在所述金属箔片表面上的金属镀层，其中，通过原子力显微镜在10×10μm的扫描范围下观察时，所述柔性金属衬底的均方根粗糙度<10nm。本发明采用金属作为衬底制备柔性薄膜晶体管或薄膜二极管，有效地解决了现有的有机柔性衬底不能承受高温处理的问题。结合高温热退火工艺，薄膜晶体管和二极管的电学性能和稳定性可以大幅提高。金属衬底的高热导率还可以将晶体管和二极管工作时散发的热量及时地传导出去，消除了热效应对器件的影响，进一步提高了其性能和稳定性。

技术领域

本发明涉及柔性电子器件领域，尤其是一种柔性金属衬底及其制备方法和在薄膜晶体管和薄膜二极管中的应用。

背景技术

近年来，基于柔性衬底的柔性电子学材料和器件受到了广泛的关注，柔性显示、可穿戴设备、物联网、医疗电子设备以及国防装备等领域的相关研究均取得了飞速的发展。要实现柔性技术的实际应用，柔性的薄膜晶体管和薄膜二极管是两个不可或缺的关键电子器件。柔性薄膜晶体管是柔性电子器件的重要组成部分，其中以InGaZnO为代表的氧化锌基薄膜晶体管在柔性显示市场占据着越来越重要的地位；另一方面，中国专利No.201710718914.5公开了一种柔性场效应二极管，该二极管可耐受高压，具有高整流比，填补了柔性高压器件领域的空白。然而，目前二者在商业化进程中仍存在许多亟待解决的问题，其中以器件性能对高温处理的依赖以及器件自发热导致的性能退化最为关键。

以氧化锌为例，其制备方法主要有溶液法和真空沉积法两大类。溶液法主要包括溶胶凝胶法和喷雾热解法等，所制备的氧化锌薄膜需要高温后处理(通常高于300℃)来稠化和移除杂质。真空沉积法制备的氧化锌薄膜晶体管的性能对氧含量非常敏感，生长窗口非常狭窄，因此需要热退火来调控氧化锌中的氧含量。特别地，高温退火能显著提高氧化锌基薄膜晶体管的稳定性。然而，目前的柔性衬底以有机聚合物为主，如聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。它们柔韧性好、可操作性强，但是对水和氧的气密性差，与无机材料间的粘着力小，影响了器件的性能和稳定性。最为关键的是，它们的玻璃化温度低，难以承受较高的温度，因而无法进行所需的高温后处理过程，难以获得优异的性能和良好的稳定性。

另一方面，薄膜晶体管、二极管在工作时会产生焦耳热和热载流子效应，在有源层附近会产生大量的热量。一般的有机柔性衬底热导率很小，如PI衬底的热导率为0.12W·m^-1·K^-1，难以及时地将工作时有源层所产生的热量传导出来，从而使得有源层附近的温度显著增加，器件的性能由于自发热而发生退化。

利用柔性金属作为器件的衬底可以有效解决上述问题。金属衬底能够很好地隔绝水和氧，可以承受高温处理。它的高热导率有助于实现快速散热，因而可以提高柔性电子器件的稳定性和使用寿命。但是，用于柔性电子器件的金属衬底一般表面非常粗糙，其均方根粗糙度在数百纳米以上。通过滚轧成型的金属箔还具有滚轧的痕迹。中国专利No.200910194558.7公开了一种不锈钢衬底的精密抛光方法，该方法使用化学机械抛光将不锈钢衬底的均方根粗糙度降至0.7nm。中国专利No.201110191555.5公开了一种用于柔性显示器件的基板及制备该基板的方法，该方法在金属基片上沉积无机材料层和有机材料层来实现表面平坦化。然而，精密抛光对于大尺寸的柔性电子器件而言过于昂贵。此外，使用有机聚合物作为平坦层来降低表面粗糙度也存在不能承受高温处理的问题，而无机材料作为平坦层需要较大的厚度，衬底弯曲时容易产生裂纹或剥离，会影响器件的柔性。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种用于制作柔性薄膜晶体管和薄膜二极管的柔性金属衬底，该衬底具有低表面粗糙度。

本发明的另一个目的是提供一种制作柔性薄膜晶体管和薄膜二极管的方法，使用成本低廉的简单工艺制作表面粗糙度低的柔性金属衬底，在该衬底上制作薄膜晶体管和薄膜二极管可以承受高温处理，降低热效应的影响，从而能够制作出高性能的柔性薄膜晶体管和薄膜二极管。