基于弹性体/量子点杂化介电材料的低压可拉伸有机晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于弹性体/量子点杂化介电材料的低压可拉伸有机晶体管。其自下至上依次包括可拉伸衬底、可拉伸栅电极、可拉伸杂化聚合物介电层、可拉伸聚合物半导体层以及位于同一平面的可拉伸源电极和可拉伸漏电极，其中，该晶体管为底栅顶接触结构。本发明专利技术通过优化弹性体聚合物与量子点共混条件及调控量子点在弹性体中微相分离和聚集行为，从而制备了一种超柔性(拉伸应变>600％)、高介电常数的大面积杂化聚合物薄膜。基于此聚合物介电薄膜，所制备的可拉伸有机晶体管不仅呈现出低操作电压(低于5伏)、高载流子迁移率、高开关电流比、低阈值电压和低亚阈值斜率，而且也具有良好的性能稳定性、透光度、皮肤共形性以及优异的耐拉伸应变能力。的耐拉伸应变能力。

【技术实现步骤摘要】
基于弹性体/量子点杂化介电材料的低压可拉伸有机晶体管及其制备方法


[0001]本专利技术属于可穿戴和类皮肤电子器件
，具体涉及一种制备超柔性、高介电的大面积聚合物薄膜的方法，及一种基于弹性体/量子点杂化介电材料的低压可拉伸有机晶体管。

技术介绍

[0002]可穿戴和类皮肤电子器件能够模仿人体皮肤对外界压力、温度、湿度和化学等刺激感知，因此被广泛应用于生理监测、医学诊断、医疗植入、人工智能等新兴领域((a)Wang,S.；Xu,J.；Wang,W.；et al.Nature 2018,555,83.(b)Oh,J.Y.；Rondeau
‑
Gagn
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S.；Chiu,Y.
‑
C.；et al.Nature 2016,539,411.(c)Tee,B.C.K.；Chortos,A.；Berndt,A.；et al.Science 2015,350,313.)。其中，有机薄膜晶体管具有良好的本征柔性、轻重量、高灵敏度、易于集成、大面积制备，同时也能作为滚动显示屏、弯曲智能卡、共型传感器和电子皮肤的基本元件(Liu,K.；Ouyang,B.；Guo,X.J.；et al.npj Flex.Electron.2022,1.)。近几年，在研究学者的共同努力下，本征可拉伸有机晶体管得到迅速发展，其迁移率已远超无定形硅晶体管(0.1cm2V
‑1s
‑1)，且在高达100％拉伸应变下也能呈现出稳定的电学性能((a)Xu,J.；Wang,S.；Wang,G.<br/>‑
J.N.；et al.Science 2017,355,aah4496.(b)Xu,J.；Wu,H.
‑
C.；Zhu,C.；et al.Nat.Mater.2019,18,594.)。为了保证电子皮肤器件的安全和方便使用，降低可拉伸晶体管的操作电压是非常必要的。然而，目前报道的可拉伸有机晶体管往往具有比较高的操作电压(一般为30～80V)，难以满足电子皮肤的使用要求。其高操作电压主要由两方面导致：一是因为可拉伸介电材料往往选自弹性体聚合物，如PDMS和SEBS，而这些材料的介电常数相对较低，仅为2～2.5；二是因为可拉伸电极材料往往选自碳纳米管或银纳米线，这两种电极薄膜具有非常高的粗糙度，因此需要提高介电层厚度(一般为1500～200nm)。
[0003]目前实现低压晶体管主要采用聚合物电解质或离子凝胶等高介电材料作为其介电层，尽管这些材料能够明显降低晶体管的操作电压。然而，基于这些介电材料所制备的晶体管往往具有高回滞、低开关比、耐拉伸应变能力差(一般为20％～40％)、性能稳定性差等缺点((a)Molina
‑
Lopez,F.；Gao,T.Z.；Kraft,U.；et al.Nat.Commun.2019,10,2676.(b)Wang,X.；Yu,C.J.J.Mater.Res.2019,1.)，无法满足电子器件长期使用和低功耗的要求。因此，如何采用简单、有效的方法制备超柔性、高介电的大面积聚合物薄膜，并且进一步实现低压高性能的可拉伸有机晶体管，对于拓宽低功耗电子皮肤和可穿戴X射线探测领域具有十分重要的研究意义和商业价值。

技术实现思路

[0004]鉴于上述现有研究的不足，本专利技术的目的在于通过优化弹性体聚合物与量子点溶液共混条件及调控量子点在弹性体聚合物中微相分离和聚集行为，旨在制备一种超柔性(拉伸应变&gt;600％)、高介电的大面积杂化聚合物薄膜。
[0005]本专利技术的另一个目的在于提供一种基于弹性体/量子点杂化介电材料的低压高性能可拉伸有机晶体管。该晶体管具有低操作电压(&lt;6V)、高迁移率(0.1cm2V
‑1s
‑1)、高开关电流比(105)、低阈值电压(&lt;1V)、低亚阈值斜率(0.5V/de)、高拉伸应变性(&gt;100％)和良好的性能稳定性(&gt;30天)。
[0006]本专利技术所提供的低压可拉伸有机晶体管，其结构自下至上依次包括：可拉伸衬底、可拉伸栅电极、可拉伸杂化聚合物介电层、可拉伸聚合物半导体层以及处于同一平面的可拉伸源电极和可拉伸漏电极；
[0007]本专利技术所述低压可拉伸有机晶体管为底栅顶接触结构。
[0008]所述低压可拉伸有机晶体管中的可拉伸杂化聚合物介电层是通过调控弹性体聚合物和量子点的微相分离和聚集行为制得的；
[0009]所述弹性体聚合物选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、氢化苯乙烯
‑
丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、聚氨酯弹性体(PU)、丁苯橡胶(SBS)和天然橡胶(NR)中的任意一种；
[0010]所述量子点具有不带电、高介电且窄粒子尺寸特性，如碳量子点(尺寸为1
‑
5nm)。
[0011]所述弹性体聚合物和量子点的混合质量比为100:0.5～100:10，优选为100:1.5～100:5，具体为如100:3.5、100:5。
[0012]所述微相分离和聚集行为是通过调控基底表面能实现的；
[0013]所述基底表面能是通过紫外臭氧化处理得以实现，其表面能调控范围为10
‑
30毫焦每平方厘米；
[0014]所述可拉伸杂化聚合物介电层的厚度可为1300
‑
2500nm，优选1500
‑
1800nm。
[0015]上述低压可拉伸有机晶体管中，所述可拉伸聚合物半导体层是由可拉伸杂化聚合物共混体系制备；
[0016]所述可拉伸杂化聚合物共混体系为弹性体聚合物和共轭聚合物的混合物；
[0017]所述弹性体聚合物与所述可拉伸杂化聚合物介电层中采用的弹性体聚合物相同；
[0018]所述共轭聚合物为聚(2,5
‑
双(2
‑
辛基十二烷基)
‑
3,6
‑
二(噻吩
‑2‑
基)二酮吡咯[3,4
‑
c]吡咯
‑
1,4
‑
二酮
‑
alt
‑
噻吩[3,2
‑
b]噻吩)(DPPT
‑
TT)、聚(2,5
‑
双(3
‑
烷基噻吩
‑2‑
基)噻吩[3,2
‑
b]噻吩(PBTTT)、聚(四噻吩乙酸二酮吡咯)(PTDPPTFT4)、聚异靛蓝二噻吩(PII2T)和聚(3
‑
己基噻吩)(P3HT)中的任意一种；
[0019]所述共轭聚合物和所述弹性体聚合物的质量比为1:9～9:1，优选为3:7～5:5.
[0020]所述可拉伸聚合物半导体层的厚度为30
‑
100nm，优选50
‑
70nm。
[0021]上述低压可拉伸有机晶体管中，所述可拉伸衬底由所述可拉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有超柔性和高介电特性的杂化聚合物薄膜的制备方法，包括下述步骤：将弹性体聚合物与量子点共混，且调控弹性体聚合物和量子点的微相分离和聚集行为制备。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述弹性体聚合物为聚二甲基硅氧烷、氢化苯乙烯
‑
丁二烯嵌段共聚物、聚氨酯弹性体、丁苯橡胶和天然橡胶中的任意一种；所述量子点具有不带电、高介电且窄粒子尺寸特性，如碳量子点；所述弹性体聚合物和量子点的质量比为100:0.5～100:10；所述微相分离和聚集行为是通过调控基底表面能实现的；所述基底表面能调控是通过紫外臭氧化处理得以实现，其表面能调控范围为10
‑
30毫焦每平方厘米。3.权利要求1或2所述方法制备得到的杂化聚合物薄膜。4.一种低压可拉伸有机晶体管，其结构自下至上依次包括：可拉伸衬底、可拉伸栅电极、可拉伸杂化聚合物介电层、可拉伸聚合物半导体层、以及处于同一平面的可拉伸源电极和可拉伸漏电极；所述低压可拉伸有机晶体管为底栅顶接触结构；所述可拉伸杂化聚合物介电层由权利要求3所述的杂化聚合物薄膜组成。5.根据权利要求4所述的低压可拉伸有机晶体管，其特征在于：所述可拉伸杂化聚合物介电层是通过共混弹性体聚合物与量子点，且调控弹性体聚合物和量子点的微相分离和聚集行为制备；所述弹性体聚合物为聚二甲基硅氧烷、氢化苯乙烯
‑
丁二烯嵌段共聚物、聚氨酯弹性体、丁苯橡胶和天然橡胶中的任意一种；所述可拉伸杂化聚合物介电层的厚度为1300
‑
2500nm。6.根据权利要求4或5所述的低压可拉伸有机晶体管，其特征在于：所述的可拉伸聚合物半导体层是由可拉伸杂化聚合物共混体系制备；所述可拉伸杂化聚合物共混体系为弹性体聚合物和共轭聚合物的共混物；所述共轭聚合物为聚(2,5
‑
双(2
‑
辛基十二烷基)
‑
3,6
‑
二(噻吩
‑2‑
基)二酮吡咯[3,4
‑
c]吡咯
‑
1,4
‑
二酮
‑
alt
‑
噻吩[3,2
‑
b]噻吩)、聚(2,5
‑
双(3
‑
烷基噻吩
‑2‑
基)噻吩[3,2
‑
b]噻吩、聚(四噻吩乙酸二酮吡咯)、聚异靛蓝二噻吩和聚(3
‑
己基噻吩)中的任意一种；所述弹性体聚合物为权利要求5中任意一种弹性体聚合物；所述共轭聚合物和所述弹性体聚合物的质量比为1:9～9:1；所述可拉伸聚合物半导体层的厚度为30
‑
100nm。7.根据权利要求4
‑
6中任一项所述的低压可拉伸有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭云龙，王成彧，刘凯，边洋爽，赵志远，潘兴浩，钟成，刘云圻，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：