[发明专利]一种增强有机半导体薄膜聚集态稳定性的方法

说明书

本发明涉及有机半导体技术领域，公开了一种增强有机半导体薄膜聚集态稳定性的方法：构筑有机半导体薄膜，然后在构筑的有机半导体薄膜表面或薄膜内部引入微量的纳米粒子，纳米粒子均匀且不连续，不会影响有机半导体薄膜本身的电学性能。有机半导体薄膜的晶界、位错、层错以及表面等被纳米粒子钉扎，导致有机半导体薄膜聚集态结构变化的势垒增加，从而增强其聚集态稳定性，进而大幅增加有机场效应晶体管的最高工作温度以及储存寿命。在常温储存条件下，引入纳米粒子稳定的有机半导体形貌几乎不会发生变化，保证了以有机半导体薄膜所制备的有机晶体管器件在高温工作环境和实际大气环境中电学性能的稳定。

技术领域

本发明涉及有机半导体技术领域，特别是涉及一种增强有机半导体薄膜聚集态稳定性的方法。

背景技术

有机半导体薄膜因其固有的机械柔性在电子领域开辟了一系列新的应用场景，如柔性显示器、传感器、射频标签以及可穿戴电子设备等，是下一代柔性电子技术的核心材料。经过三十多年的发展，目前以有机半导体薄膜所制备的有机场效应晶体管的迁移率已经超越了无定形硅场效应晶体管。然而，基于有机场效应晶体管的商业化产品还未实现，其主要瓶颈问题在于有机半导体薄膜的聚集态结构稳定性差。在长时间放置以及高温条件下有机半导体薄膜会发生去浸润的形貌变化，导致有机半导体薄膜的聚集态结构不稳定，进而导致有机场效应晶体管的电学性能下降甚至完全失效，主要失稳形式表现为开态电流的下降，阈值电压的漂移以及迁移率的下降。因此，需要改善有机半导体薄膜的聚集态结构稳定性来使有机晶体管具备商用潜质。

传统制备有机半导体薄膜的方法如真空热沉积或溶液法所制备的有机半导体薄膜通常都为多晶体，本身存在大量晶界、位错、层错等缺陷，缺陷处有机分子排列不规则、能量高，相比完整晶体内部更容易发生形貌变化，使薄膜增加了额外的残余应力，直接影响了薄膜的聚集态结构稳定性。有机半导体薄膜以弱的范德华力结合，本身结合力弱，相较于对于以共价键结合的无机半导体来说，更容易在应力的驱动下释放薄膜内存储的额外内能，进而导致薄膜发生聚集态结构的改变。即使在常温条件下，有机半导体薄膜的聚集态结构也会发生变化，表现出本征的聚集态结构不稳定。因此，探究有机半导体薄膜的聚集态结构的失稳机制，进而开发有效的增强有机半导体薄膜的聚集态结构稳定性的方法对于设计稳定可商用的有机场效应晶体管是必须的。目前提高半导体薄膜稳定的方法有分子设计、封装、低温存储、增加膜厚等，虽然减缓了聚集态不稳定所带来的形貌变化，但均无法有效改变有机半导体薄膜本征聚集态不稳定特性，无法从根本上解决有机半导体薄膜器件失效的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种增强有机半导体薄膜聚集态结构稳定性的方法，该方法采用弥散增强的策略，通过抑制缺陷处的分子扩散，使有机半导体薄膜的聚集态结构变化的势垒增加，进而提高有机半导体薄膜的工作温度和储存寿命。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种增强有机半导体薄膜聚集态稳定性的方法，在绝缘衬底表面构筑有机半导体薄膜，然后在构筑的有机半导体薄膜表面或薄膜内部引入纳米粒子，纳米粒子均匀且不连续，引入的纳米粒子是微量的，纳米粒子体积分数占有机半导体薄膜体积的0.1%-3%，纳米粒子可以引入在有机半导体薄膜表面，也可以在有机半导体薄膜内部。具体掺杂上限视不同纳米粒子影响本征电学性能的体积分数为准，只要不影响有机半导体本身的电学性能即可。

纳米粒子的引入方法为热蒸发法，通过加热蒸发源使纳米粒子由固体达到原子级的气态，在具有一定旋转速度的样品表面重新成核，尺寸在纳米量级，进而实现了纳米粒子的引入。有机半导体薄膜其本身聚集态结构不稳定，通过该过程所引入的纳米粒子在有机半导体薄膜表面或内部分布是均匀且不连续的，本身不会发生聚集，不会影响有机半导体薄膜本身的电学性能，用于钉扎有机半导体薄膜中的位错、晶界、层错、表面等，进而稳定有机半导体薄膜的聚集态结构，从而使有机电子器件可以承受更高的工作温度和保存更长的时间。

进一步地，热蒸镀的速率为0.01-0.1Å/s。