氧化物双电层薄膜晶体管的喷墨打印制备与器件研究

Electric-double-layer thin-film transistors (TFTs) are based on the electric-double-layer capacitance that arises from the coupling of interface charges. Is a newly emerged transistor type with interesting features of low working voltage and multi-gate modulation ability, exhibiting great potential in many areas. However, issues with environmental-humidity stability and low efficiency of the side-gate are experienced during the application research..In this regard, this proposal plans following research topic: firstly, realize the efficient fabrication of proton conductor gated oxide electric-double-layer TFTs by using inkjet printing technology; then, study the environment-humidity stability of the devices and the corresponding affecting mechanism. Followed by improving the long-term environment stability through printing the polymer encapsulation layer; lastly, prepare new double-gate devices by printing. Study the new double-gate coupling synergy to achieve the efficiency improvement and function completion of double-gate logic applications..This project is an applied basic research that has rich theoretical connotation. The implementation of this project is expected to achieve highly efficient and low cost fabrication of such oxide-based electric-double-layer TFTs, reveal the corresponding mechanism and provide new methods and ideas to solve the practical problems. It therefore has important scientific research value.

双电层薄膜晶体管(TFTs)基于界面电荷耦合所产生的双电层电容效应。是近年来新出现的一种具有低工作电压和多栅调控等特点的新型晶体管器件，在众多领域展现了诱人潜力。然而在应用研究中还存在着环境湿度稳定性和侧栅控制效率低的问题。.针对上述问题，本课题拟开展如下研究：首先运用喷墨打印技术实现质子导体栅介质氧化物双电层TFTs的高效制备；然后开展环境湿度对器件的影响和内在机理研究，并通过打印制备聚合物密封层来提高器件的长期环境稳定性；最后打印制备新型双栅结构器件，研究新型双栅的作用机制，实现双栅调控在逻辑功能方面的效率提高和功能完善。.本项目属于应用基础研究，相关器件理论内涵丰富。本项目的开展将有望实现此类双电层TFTs的高效低成本制备，揭示相关机理，为解决氧化物双电层TFTs面向应用时存在的问题提供新的方法和思路，具有较为重要的科学研究价值。

本研究工作围绕氧化物双电层薄膜晶体管（TFTs）的制备方法与器件性能，针对该类器件在制备过程、湿度稳定性以及侧栅调控等方面存在的问题。结合材料、工艺、器件结构和测试等手段，研究了多种离子栅介质材料在氧化物双电层TFTs中的运用，开发了基于打印技术的器件制备方法，测试分析了器件的湿度稳定性以及相关作用机制，探索了高质子导电率栅介质以及新型侧栅结构器件。研究中试验的离子栅介质材料主要有氧化石墨烯-聚乙烯醇复合物（GO-PVA）、全氟磺酸树脂（Nafion）、氧化铝（AlOx）以及聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA），其中后三种都是本研究中独特采用的。打印制备方面配置了一种低成本、流体性能优良、导电率高的金属-有机络合物全溶液银墨水，可以由喷墨打印制备导电电极。搭建了一套针管直写打印系统，实现了导电墨水和较难以喷墨打印的聚合物电解质的图形化打印。结合打印方法制备的GO-PVA栅介质氧化物双电层TFTs表现出了比纯GO作为栅介质更好的稳定性。在湿度稳定性方面，测试了各种栅介质双电层TFTs电学特性受湿度变化的影响，发现了共有的规律。以溅射AlOx栅介质为对象，研究了其受湿度影响的表现，阐述了内在物理机制。并验证了通过聚合物密封来改善其湿度稳定性的方法。通过酸处理提高Nafion栅介质的质子导电率，研究了提高质子导电率对器件性能的影响，获得了响应速率提升的器件。制备出了一种国内少有报道的新型平面侧栅结构器件，十分有利于双栅结构器件的制备。.总的来看，本研究实现了基于打印技术的器件制备方法，为今后该类器件的研制提供了有效手段。对湿度稳定性的研究突显了湿度作为一个环境参数在器件测试中的重要影响，为研究开发中更加重视其作用提供了参考。同时也证明了其是可以通过钝化及封装来改善的。对器件响应速度的研究为在该方向进一步改进提高积累了经验和技术基础。所实现的新型平面侧栅结构有利于双栅结构器件的制备，给后续研究带来了更多可能。