原位退火显著提升喷涂TIPS-五苯并四苯有机场效应晶体管载流子迁移率

摘要

我们采用喷涂法制备了底栅顶接触有机场效应晶体管（OFET），并系统研究了沉积过程中的原位退火效应。与传统的后退火工艺相比，60°C的原位退火使场效应迁移率从0.056 cm²/V·s提升至0.191 cm²/V·s，实现了近四倍的增强。光学显微镜、原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）表征表明，迁移率的提升源于TIPS-五苯并四苯晶化质量的改善和分子堆积有序度的显著提高。

研究背景

有机场效应晶体管因其柔性、低成本和大面积制备优势，在柔性电子、显示器、RFID标签和逻辑电路等领域展现广阔应用前景。刮刀涂布、喷墨打印、凹版印刷和喷涂等多种溶液加工技术已被探索用于高性能器件制备。其中，喷涂技术因其溶剂用量少、通量高、兼容多种衬底材料而备受关注。

近期研究重点集中在液滴尺寸控制、溶剂体系优化和衬底加热等工艺参数上，以改善薄膜结晶性。然而，喷涂过程中原位退火的作用机制仍缺乏系统探索。传统溶液工艺往往需要漫长的后烘烤步骤，打断生产连续性。引入简便的原位退火协议有望在保持甚至提升器件性能的同时加速制造流程。

本工作在PMMA介质层上喷涂沉积TIPS-五苯并四苯，分别在60°C、90°C和120°C下实施原位退火。结果显示，60°C处理获得最高迁移率（0.191 cm²/V·s），这归因于晶化度和分子有序度的改善，经显微镜和XRD表征得到确证。

实验方法

器件结构如图1(a)所示。PMMA（100 mg/mL，苯甲醚溶剂）经旋涂形成520 nm厚度薄膜，150°C烘烤1小时。TIPS-五苯并四苯（3 mg/mL，二氯苯溶剂）以20 μL/s流速、12 cm喷嘴高度喷涂，衬底保持设定温度。最后通过影子掩膜热蒸发50 nm金源/漏电极（通道宽长比1 cm/100 μm）。薄膜厚度通过台阶仪测量总厚度减去PMMA厚度获得。电学特性在空气中用Keithley 4200测量，饱和区迁移率按标准传输曲线公式提取。形貌表征采用光学显微镜（Olympus U-MSSP4）、AFM（Asylum Research MFP-3D-BIO）和XRD（Dandong TD-3500，30 kV，20 mA）。

结果与讨论

器件A采用120°C后退火（20分钟）；器件B、C、D分别在60°C、90°C、120°C原位退火条件下制备。传输与输出特性曲线（图2）呈现典型P型行为。表1汇总关键性能指标。

60°C原位退火（器件B）使迁移率升至0.191 cm²/V·s，阈值电压从-1.7 V正向偏移至-0.9 V。相反，90°C和120°C处理导致性能退化：迁移率分别降至0.04和0.0005 cm²/V·s，阈值电压偏移至+2.0 V。亚阈值摆幅随退火温度升高而增大，暗示介质/半导体界面陷阱密度增加。

光学显微镜（图3）显示器件B形成大尺度、细长晶粒，而器件C、D呈现细小圆形晶粒。AFM图像（图4）证实60°C薄膜具有有序晶粒且晶界稀疏，高温则产生密集小岛结构阻碍载流子传输。XRD（图5）显示器件B具有最强(00l)布拉格峰，确证优异结晶性。90°C和120°C峰强度衰减与性能下降相关。

结论

采用60°C原位退火的喷涂TIPS-五苯并四苯OFET，迁移率较传统后退火工艺提升近四倍（达0.191 cm²/V·s）。这一改善源于结晶度增强和有序晶粒生长，经光学、AFM和XRD多维表征确证。原位退火为柔性电子等新兴应用提供了一条可规模化、低成本的高性能OFET制备路径。