制造電化學(xué)晶體管的方法、實(shí)現(xiàn)該方法的噴嘴及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于靜電紡絲領(lǐng)域，具體涉及制造電化學(xué)晶體管的方法、實(shí)現(xiàn)該方法的噴嘴及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]由于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OrganicField Effect Transistors, OFET)存在敏感的柵絕緣層厚度、較大的工作電壓以及微型圖案化制備的工序等不足，極大地限制了OFET在柔性大面積制造方面的應(yīng)用，例如較大的工作電壓使其無法保證可穿戴式裝備的安全性。為了解決上述問題，目前大多數(shù)科研工作者提出了有機(jī)電化學(xué)晶體管(OrganicElectrochemical Transistors, 0ECT),它可以在電解質(zhì)中工作，因?yàn)镺ECT具有不同的工作方式，且器件的尺寸和制造定位精度的要求相比于OFET的大大放寬。另外OECT工作所需要的電壓僅有幾伏特，安全可靠，而且耗能少。
[0003]傳統(tǒng)的平面有機(jī)化學(xué)晶體管OECT是在玻璃或者塑料基板上沉積、刻蝕金屬電極與沉積、印刷圖案化的有機(jī)導(dǎo)電聚合物薄膜，此方法制得的晶體管具有高精度、高性能等特點(diǎn),但同時(shí)也有工序復(fù)雜、成本高、材料兼容性差、集成度低、效率低等諸多不足之處。為了提高OECT的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，需要在保證其電學(xué)性能的同時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)難度，提高實(shí)際加工效率。
[0004]Mahiar Hamedi等提出一種新型的線型OECT結(jié)構(gòu)及其制作方式，并將其命名為WECT(Wire Electrochemical Transistors)。此類晶體管主要由兩根十字交叉的微納米導(dǎo)電纖維組成晶體管的源極、漏極與柵極作為支架，在纖維交叉處由特殊的有機(jī)物溶液連接形成“結(jié)”，使其具有不輸于傳統(tǒng)平面有機(jī)化學(xué)晶體管的電學(xué)性能。通過改變晶體管的結(jié)構(gòu)，大大減少了其加工工序以及加工難度，而且由于不存在熱加工，與有機(jī)材料的兼容性大大加強(qiáng)，集成度也可以提升。但是交叉處的溶液需要用微納探針逐一添加，最后凝固成“結(jié)”。這極大限制了實(shí)際加工的效率與精度的控制。因此需要針對(duì)WECT晶體管，在原有的基礎(chǔ)上改進(jìn)其加工工藝，解決交叉處溶液處理問題，提高生產(chǎn)效率，使其能切實(shí)應(yīng)用到工業(yè)實(shí)際。
[0005]靜電紡絲作為一種新興的微納米級(jí)制造工藝，具有低成本、高效打印有機(jī)物溶液或金屬熔融物的能力。另外近場(chǎng)電紡絲與力控電紡絲工藝的提出使得高精度、高分辨率打印復(fù)雜圖案成為可能，其出色的定位性能在大面積制造柔性器件方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。因此采用靜電紡絲工藝可以實(shí)現(xiàn)低成本、高效、高精度、高分辨率、大面積制造有機(jī)電子器件。如若能通過靜電紡絲工藝高效生產(chǎn)WECT，定將極大推動(dòng)其工業(yè)前景。
[0006]黃永安等人在 “Controllable self-organizat1n of colloid microarraysbased on finite length effects of electrospun ribbons”文中提到的一種表面張力驅(qū)動(dòng)的自組裝工藝，可實(shí)現(xiàn)交叉纖維節(jié)點(diǎn)處溶液自組裝，形成微滴陣列。靜電紡絲工藝過程中將噴嘴和基板距離拉近，施加高壓電場(chǎng)并同時(shí)使基板做高速直線運(yùn)動(dòng)，紡出的纖維將被拉直，并最終在基板上形成寬度均勻的直線形狀的固化的纖維。通過控制XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，便可形成間距均勻的多根同向的直線纖維。改變XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向，在之前的纖維上直寫出與原來的纖維方向垂直的直線纖維，便可形成網(wǎng)格狀的纖維。將樣本放入高濕的環(huán)境中，樣本上的固化纖維便會(huì)吸水液化。由于表面張力的作用，液線發(fā)生斷裂，并且在交叉點(diǎn)處形成液滴。將樣本從高濕環(huán)境中取出，水分蒸發(fā)，便可形成規(guī)則的點(diǎn)陣。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為靜電紡絲制造WECT的“結(jié)”提供了可行性。但是傳統(tǒng)靜電紡絲僅得到單根纖維，自組裝后將只剩下分散的液滴，仍舊不具備電學(xué)性能。利用XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制，在已制得的纖維上再沉積一層纖維，使上層纖維自組裝，剩下底層纖維形成WECT主體結(jié)構(gòu)不失為一種解決方案。但是由于其要求XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有極優(yōu)越的重復(fù)定位性能與上下層纖維極易堆積不塌陷，不能大范圍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的是提供制造電化學(xué)晶體管的方法、實(shí)現(xiàn)該方法的噴嘴及裝置，運(yùn)用并列噴嘴的靜電紡絲工藝大面積制造柔性WECT，此方法主要是利用并列噴嘴，同時(shí)在接收基板上實(shí)現(xiàn)兩種不同的功能性有機(jī)溶液的靜電紡絲過程，并運(yùn)用力控電紡絲工藝紡制網(wǎng)格狀圖案化的微納纖維。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了利用并列噴嘴噴印制造柔性電化學(xué)晶體管的方法，包括以下步驟:
[0009]I)注入溶液:分別將有機(jī)溶液I和有機(jī)溶液II注入并列噴嘴的針管I和針管II內(nèi)，調(diào)整并列噴嘴與XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的間距為2?8mm，通過高壓發(fā)生器施加電壓在并列噴嘴與XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上以形成泰勒錐；其中，有機(jī)溶液I為質(zhì)量濃度為0.04?0.08g/mL的PEDOT: PSS溶液，有機(jī)溶液II為質(zhì)量濃度為0.08?0.12g/mL的聚苯胺溶液；
[0010]2)沉積網(wǎng)格狀纖維結(jié)構(gòu):將接收基底固定在XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，先讓XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沿X軸移動(dòng)，使并列噴嘴噴出的有機(jī)溶液I和有機(jī)溶液II在接收基底上沉積形成下纖維；下纖維為上下兩層，上層為有機(jī)溶液I形成的有機(jī)纖維I，下層為有機(jī)溶液II形成的有機(jī)纖維II ;下纖維沉積完成后將并列噴嘴旋轉(zhuǎn)90°，使XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沿Y軸移動(dòng)，在接收基底上沉積上纖維；上纖維為上下兩層，上層為有機(jī)溶液II形成的有機(jī)纖維II，下層為有機(jī)溶液I形成的有機(jī)纖維I ;上纖維與下纖維形成網(wǎng)格狀纖維結(jié)構(gòu)；
[0011]3)網(wǎng)格狀纖維結(jié)構(gòu)自組裝:使網(wǎng)格狀纖維結(jié)構(gòu)中的有機(jī)纖維I完成自組裝。
[0012]優(yōu)選地，步驟I)中，所述有機(jī)溶液I和有機(jī)溶液II為配制而成，配制后有機(jī)溶液I和有機(jī)溶液II分別在25?35°C下使用恒溫磁力攪拌器攪拌6?8個(gè)小時(shí)，并靜置后保存。
[0013]優(yōu)選地，步驟I)中高壓發(fā)生器施加的電壓為I?3kV。
[0014]優(yōu)選地，還包括自組裝完成后進(jìn)行的封裝步驟:自組裝完成后，在上纖維上覆蓋一層柔性覆膜，以保證上纖維和下纖維的柔性及使與網(wǎng)格狀纖維結(jié)構(gòu)自組裝與空氣隔絕。
[0015]優(yōu)選地，所述柔性覆膜的材料為PDMS或Ecoflex。
[0016]優(yōu)選地，步驟I)中，使用流量泵I和流量泵II分別將有機(jī)溶液I和有機(jī)溶液II注入針管I和針管II內(nèi)。
[0017]優(yōu)選地，流量泵I和流量泵II輸出溶液的流速相同，流量泵I輸出溶液的流速為300 ?1000NL/min。
[0018]優(yōu)選地，步驟2)中所述沉積下纖維和上纖維時(shí)，XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的速度均為300mm/s以下。
[0019]按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了并列噴嘴，所述并列噴嘴包括針管1、針管II及用于使針管1、針管II，所述針管I和針管II焊接在一起使并列噴嘴整體呈Y字形。
[0020]按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了噴印制造柔性電化學(xué)晶體管的裝置，包括并列噴嘴，所述并列噴嘴通過高壓發(fā)生器與一 XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接，XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)且能沿X軸和Y軸移動(dòng)，所述并列噴嘴位于XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的上方。
[0021]優(yōu)選地，所述并列噴嘴的針管I通過管道I與流量泵I相連，并列噴嘴的針管II通過管道II與流量泵II相連。
[0022]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0023]I)工藝簡(jiǎn)單，采用并列靜電紡絲工藝，一步制得微納纖維，并且通過平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制可直接實(shí)現(xiàn)陣列化纖維的制造；
[0024]2)工序簡(jiǎn)單，借助于表面張力驅(qū)動(dòng)的自組裝工藝可大面積穩(wěn)定可靠實(shí)現(xiàn)WECT源極、漏極與柵極的連接；
[0025]3)成本低、效率高，靜電紡絲以及自組裝工藝極大縮減了制造時(shí)間與材料用量；
[0026]4)材料兼容性好，制造過程均未涉及高溫工藝，有機(jī)、柔性材料均可得到極大的運(yùn)用。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明中運(yùn)用并列噴嘴實(shí)現(xiàn)電流體動(dòng)力噴印的示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明中靜電紡絲所得的網(wǎng)格狀纖維結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0029]圖3a?