“咖啡环”效应：提升全印刷氧化物薄膜晶体管性能

期刊：Nano-Micro Letters

标题：Fully Printed High-Performance n-Type Metal Oxide Thin-Film Transistors Utilizing Coffee-Ring Effect

DOI:10.1007/s40820-021-00694-4

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喷墨印刷(Inkjet-printing)是一种非真空、非接触式、低成本、无掩膜的图案化薄膜沉积技术，虽然其精度不如传统微纳加工(如光刻)，但它用料少、成本低、加工步骤简单，是传统微纳加工技术的重要补充，具有柔性、大尺寸、和大规模电子器件快速制造的潜力。

通常，在喷墨印刷过程中，“咖啡环”效应是不受欢迎的，因为它不仅影响打印薄膜的均匀性，而且会损坏器件的电学性能。迄今为止，研究者一直在努力抑制咖啡环结构的形成，以获得更好的薄膜均匀性。但结果却收效甚微，大多数全印刷的金属氧化物薄膜晶体管的迁移率相对较低(0.04-12.9 cm² V⁻¹ s⁻¹)，限制了其在显示驱动和逻辑电路中的应用。

本文亮点

1. 实现了以氧化铟锡(ITO)作为半导体沟道和电极的全印刷高性能薄膜晶体管。

2. 利用X射线光电子能谱分析深入探究氧化物半导体/介质层的界面性质。

3. 基于ITO薄膜晶体管的全印刷NMOS反相器在3 V的工作电压下具有高达181的电压增益。

内容简介

当不小心将一滴咖啡、牛奶或者茶水滴落到桌面时，你大概会留意桌面上的污渍的颜色是不均匀的(图1)，这是由于其颗粒物溶质在污渍边缘部分堆积要比中间更多一些，形成环状斑的现象，这种不均匀沉积的现象被称作“咖啡环”效应(coffee-ring effect)，主要是受液滴蒸发过程中溶质固体颗粒外形、表面张力、以及对流等因素所影响。

图1 咖啡滴干燥后留下的环状污渍

西湖大学工学院朱博文课题组提出了一种全新的打印方法，利用 “咖啡环”效应，直接在打印的咖啡环结构上集成了氧化铟锡半导体薄膜晶体管(ITO TFT)，实现了高性能薄膜晶体管和逻辑反相器(NMOS inverter)，此项工作解决了基于溶液法的喷墨打印技术的难点，在大面积、低成本电子器件和电路中的应用展示了巨大的潜力。

利用而非抑制“咖啡环”效应

将打印的ITO“咖啡环”薄膜中间超薄部分(~10 nm)作为优异的半导体通道，而边缘较厚的ITO可以作为源/漏(S/D)电极的一部分，实现了高性能氧化物TFTs的全印刷制备和应用。按照图示(图2)的制备工艺，逐步在玻璃基底上打印底栅、顶接触结构薄膜晶体管。其中ITO既作为载流子传输通道又作为接触电极，Al₂O₃为栅介质层，整个打印过程在普通实验室环境中进行，每个功能层打印后进行350 °C的热退火固化。

图2 全喷墨印刷ITOTFTs工艺流程

器件结构与电学性能表征

透射电子显微镜(TEM)图像清晰地展示了全打印ITO TFT中Al₂O₃缓冲层、ITO栅极层、Al₂O₃介电层和ITO沟道层的层状结构。印刷的ITO薄膜表面轮廓图呈现出典型的咖啡环结构，中间区域较薄，边缘相对较厚。在玻璃上全喷墨打印的TFT阵列在可见光区中显示出接近90%的高光学透明度，并且具有优异的电学性能，高达34.9 cm² V⁻¹ s⁻¹的饱和迁移率(μsat)，较低的开启电压(Von=−0.09 V)和亚阈值摆幅(SS=105 mV/dec)，良好的电流开关比(Ion/off=10⁵)，以及较低的工作电压范围(＜2 V)(图3)。

图3 全打印ITO TFTs的器件结构与电学性能

半导体/介质界面分析

进一步通过X射线光电子能谱分析，得出ITO/Al₂O₃异质结的能带结构图(图4)。其中，界面处能带向下弯曲形成一个二维势阱，可以吸引和限制界面的自由电子，这是全印刷ITO薄膜晶体管具有优异电学性能的重要原因之一。

图4 ITO/Al₂O₃界面能带分析

全打印TFTs的应用

为了探索全印刷ITO TFT的潜在应用，研究团队又构建了NMOS反相器，该反相器使用两个印刷的ITO TFT，通过印刷银电极连接。顶部TFT作为耗尽负载，以限制流过底部的驱动TFT的电流。当输入电压(Vin)低于阈值电压(逻辑“0”)时，输出电压(Vout)等于VDD(逻辑“1”)。当Vin超过阈值电压(逻辑“1”)时，Vout突然下降到~0 V(逻辑“0”)，表明由于ITO TFT的高迁移率和大的开启电流，驱动器TFT处于接近短路状态。这意味着负载和驱动TFTs在反相器中表现出良好的通断行为。此NMOS反相器的最大传输增益达到181 (VDD=3 V)，性能优于之前报道的其他溶液法的金属氧化物TFTs(图5)，有望在柔性电子器件和电路中得到应用。

图5 基于ITO TFTs的全喷墨印刷的NMOS逻辑反相器