研究背景
喷墨和其他形式的印刷是目前有机电子器件中各种铺层的普遍应用技术，这对发展大规模、低成本和灵活的电子产品至关重要。与其他沉积技术相比，喷墨打印技术能更好地控制晶体效应晶体管（FET）和金属-绝缘体-半导体（MIS）二极管中的有机半导体-介质界面。我们展示了喷墨打印和夹层聚4-乙烯基苯酚（PVP）电介质层在基于戊烯和双（三异丙基硅烷基）（TIPS）-基于戊烯的FETs和MIS结构中的电气特性。印刷的PVP薄膜为TIPS-戊烯的生长提供了一个自然对准，从而改善了界面。
在印刷的PVP上的TIPS-戊烯显示出比在涂层的PVPFET上的TIPS-戊烯高一个数量级的FET充电流动性。对MIS结构的电容-电压和电导-电压的调查，对间歇期的评价很低。与针状涂层的PVPTIPS-戊烯二极管相比，印刷的PVPTIPS-戊烯的密度更低。在印刷和夹层PVP上热生长的戊烯在MIS和FET结构中显示出相似的性能。
印刷电子技术在21世纪已经成为现实。在几种印刷技术中，喷墨印刷已被证明是非常通用的，可用于沉积导电油墨、栅极电介质层和聚合物半导体。喷墨打印依赖于在塑料、玻璃和硅等表面，以及从膜和凝胶到薄膜和纸制品等柔性基材上微细精密地喷射各种功能性液体。打印是基于按需滴注的压电喷墨打印头，与大多数溶剂兼容。压电喷墨打印的工作原理非常简单；当外部电压施加到压电致动器上时，由于体积变化，在容纳墨水的毛细管中形成压力波。当正的压力波接近毛细管的喷嘴时，液体被向外推开。如果转移到流体的动能大于形成液滴所需的表面能，液滴就会被喷射出来。液滴的体积和速度由反应器的驱动电压控制。
印刷的有机薄膜晶体管已经获得了很大的兴趣，因为印刷过程可以很容易地适应所有的层。印刷过程的优化，包括油墨配方、喷墨控制信号、基材表面能量和热退火条件，大大改善了印刷薄膜晶体管的性能。印刷过程中出现了一个固有的问题，由于溶剂从沉积的微滴中蒸发，导致了因溶剂蒸发产生的外向毛细管流而产生的咖啡环效应。这被归结为基于初始接触动力学的潜在机制；使用反溶剂结晶，咖啡环问题可以被避免。
在可溶液加工的有机半导体（OSs）中，双（三异丙基硅烷基）（TIPS）戊烯已经受到了很多关注，它被作为一种有源层，用于蚀刻效应晶体管（FETs），自旋阀结构，以及作为有机光伏的接受体材料。TIPS-戊烯薄膜中的晶界决定了场效应晶体管的整体性能。此外，不同的TIPS-戊烯薄片的生产方法产生了分子包装的差异；溶液剪切导致晶体晚期的非平衡包装。这将增加加强充电汽车的前景。熟悉移动性。有机器件的整体性能是在很大程度上取决于操作系统的质量，如电、OS-金属和OS-OS接口。至此，在印刷薄膜中，界面状态的作用还没有得到证实。得到了很多关注。
在本文中，我们重点讨论印刷与旋涂的电介质薄膜及其与半导体层的界面特性场效应管和金属-绝缘体-半导体（MIS）。二极管。通过使用热蒸发和滴铸的在喷墨打印的聚4-乙烯基上的半导电薄膜我们得到的结果是，通过对苯酚（PVP）和旋涂PVP薄膜的分析，我们得到了对界面陷阱密度的深入了解。我们提出了一个用“电荷”来详细分析操作系统和电介质的界面。电容-电压（C-V）和电导-电压(G-V)的测量基于喷墨打印的戊烯场效应晶体管的性能。撕裂的PVP层和旋涂的PVP层是相似的。TIPS-戊烯，它被滴注在电介质上，观察缓慢结晶的层，符合方向性的在印刷的PVP层中的印刷，导致了减少了晶界。这些场效应晶体管显示了一个与TIPS-戊烯相比，涂层性能有所提高。
实验细节
材料戊二烯从东京化学工业公司采购。在正式实验之前，我们尝试和使用，确认材料没有任何纯化。在1个丁烷中的84%的甲基化溶液（PMMF），从SigmaAldrich,Inc.获得。TIPS-戊烯还采购了无水甲苯溶剂。来自SigmaAldrich,Inc.玻璃基质是从FisherScientific获得。印刷和设备制造一个Diamtix材料打印机（2831）被用于在Al涂层的玻璃玻片上印刷PVP层。5wt%的在PGMEA中的PVP溶液，以及2wt%的将交联剂PMMF在60℃下加热1小时。在印刷前，该溶液被过滤。
该溶液被过滤后通过一个将0.22微米的聚四氟乙烯过滤器放入10pl滤芯中（从Dimatix）的直径为21微米的喷嘴。最优的子介质温度、油墨温度和墨滴间距是通过试验和错误确定的。我们发现，一个基材温度为60℃，落差为50μm栅栏的间距改善了PVP的喷射，并最大限度地减少了针孔数量。每个孔的电压滴管可以单独调整，以使滴管具有灵活性。
对于输出和传输测量，吉时利作为电源VDS和测量IDS，而吉时利2400源VG和测量IG。依赖温度的电流-电压测量是用双源表（吉时利2612B）进行的。FET被保存在一个封闭的循环氦气低温箱内，温度可以在11到480K之间变化，温度是用Lakeshore330温度控制器测量的。电容对电压的特性是用HP4284ALCR表从MIS结构中测量出来的。在测量过程中，一个直流电压被施加到电容器上，并在直流信号上叠加一个小的交流电压信号。电容随着直流电压的波动被记录下来。
在Labview中开发了一个程序来控制电压的应用和电容的感应。交流信号的幅度为200mV，所有测量中信号的频率在5-10kHz之间。在这项工作中，有一个新的方法。直流信号被从正负两面扫过，也被从反面扫过。原子力显微镜（AFM）的测量是用NanoscopeIIIa（VeecoInstruments,Inc.）在攻丝模式下进行的。使用了Micromasch公司制造的商业化的长方形硅悬臂（250×35×1.7μm3），其名义弹簧常数为0.35Nm-1，共振频率为33kHz。印刷和旋涂PVP的表面能和接触角是用标准接触角测角器测量的。
实验结果
印刷的PVP薄膜和形态聚合物油墨的印刷取决于几个参数，如喷射频率、压电致动器的电压、喷嘴温度和温度。
图中显示了用于印刷PVP的波形，其中Y轴代表喷射电压的水平。波形由五段不同的时间长度组成，它控制着液滴的速度。图（b）显示了使用打印机上的液滴观察仪拍摄的PVP喷射图像。从这种聚合物溶液中看到尾巴的形成是很典型的。图（c）显示了一个光学图像的PVP右后印刷。
图中分别显示AFM图像的印刷和旋涂的PVP薄膜。印刷和旋涂PVP薄膜的表面粗糙度的均方根值是0.63纳米和0.52纳米，分别为3微米×3微米的面积。还显示了印刷和旋涂PVP上的TIPS-戊烯的光学图像；深色的垂直条纹表示源极和漏极接触。从这些图像中可以看出，TIPS-戊烯的形态是不同的，当生长在印刷的PVP薄膜与旋涂的PVP薄膜。这些差异很可能来自于印刷PVP上TIPS-戊烯结晶的差异，它符合印刷的方向。我们对TIPS-戊烯薄膜进行了拉曼散射（结果未在此显示）。两种薄膜都显示出类似的拉曼光谱，表明虽然形态不同，但其多晶体的性质是相似的。如图所示，MIS电容的测量是通过一些圆形的触点进行的。触点的直径不同，从250到750微米，并沉积在与FETs相同的基底上。
印刷的和旋涂的PVP薄膜通过表面能和水接触角进行了描述。表面能是由蒸馏水、甲酰胺和二氧甲烷作为探针液体的接触角测量确定的。水接触角发现PVP薄膜为44.6mJm-2和44.1mJm-2,分别。
戊烷FETs典型的电流-电压输出和传输特性在旋转涂层和印刷品上的五碳烯场效应晶体管的特性PVP介电层显示在图中。这里的工作电压略高，因为与其他基于PVP的戊烯场效应晶体管相比。由于在这些工作中显示，发现FET的特性是这在很大程度上取决于使用的溶剂。溶解聚合物电介质；更高的偶极子瞬时溶剂提高了FET的性能。在由于对溶剂的特殊选择，本工作中出现了一些问题。印刷过程中所需要的，我们被限制在使用PGMEA作为溶剂。泄漏电流为至少要比“小”两个数量级。测量的漏极-源极电流。电准绳从饱和状态下获得了场效应管的测量值。
由于印刷层的PVP厚度几乎是旋涂层厚度的两倍，与旋涂器件相比，印刷器件的饱和电压要高一些。图中显示，通过对同一设备施加更高的电压，会出现完全的饱和。图中的插图描述了印刷PVP和旋涂PVP的TIPS-戊烯场效应晶体管的载流子移动性（其中单个器件的集合具有相同的W/L比率）。
关于TIPS-戊烯的电荷载流子FET迁移率大于2cm2V-1s-1至3cm2V-1s-1的报告通常是在其他电介质中观察到的，如CYTOP（在顶栅几何结构中）。我们的测量是在环境条件下进行的。我们还对TIPS-戊烯场效应晶体管进行了与温度有关的传输测量。由于TIPS-戊烯薄膜在340K以上会出现裂缝，我们的测量是在320K之前进行的。电荷载流子迁移率，也就是320K的数据作为逆温度（160-320K）的函数，显示在上图的旋涂和印刷PVP基TIPS-戊烯FET。
与印刷设备相比，旋涂设备的ΔE更小。这种活化能的差异可能是由于在半导体以及在半导体-电介质界面的陷阱状态。与旋涂的PVP层相比，印刷的PVP层更厚，这可能进一步导致不同的陷阱分布，从而导致更高的活化能，这将在下一节的电容-电压测量中进一步解释。我们的工作表明，使用相同的操作系统层，但不同的电介质层可以导致不同的激活能，因为在半导体-电介质界面的陷阱密度不同。捕获的电荷密度（Ntrap）是由传输特性的亚阈值波动作为温度的函数得到的，使用的是Ntrap公式
表1显示了Ntrap的300K数据；TIPS-戊二烯/喷镀PVP的数值略微低于涂层PVP，如前所解释。在此再次强调、测试了几个具有不同W/L比率的装置。电荷载流子的移动率始终较高对于印刷的PVP设备来说，是一个数量级的、与纺锤形PVP相比。所示设备数据显示在表中，如μ=0.33cm2V-1s-1的印刷PVP，器件和0.03cm2V-1s-1的旋涂PVP。此外，活化能的差异可能来自印刷和旋涂PVP上的TIPS-戊烯薄膜的形态差异。我们已经进行了详细的C-V和G-V测量，以估计MIS二极管的界面陷阱密度。
MIS的特点
图中显示了在5kHz-9kHz的频率范围内测量的带有印刷和旋涂PVP的戊烯和TIPS-戊烯MIS二极管的C-V特性。插图显示了它们在7kHz频率下的磁滞行为。在测量的频率范围内，戊烯MIS二极管的积聚区几乎没有任何频率分散现象。该TIPS-戊烯MIS二极管在积聚区显示出一些频率分散。这种分散通常来自于界面上和电介质层的大部分中被捕获和移动的电荷的不同反应。CV数据表明，旋涂和印刷PVPMIS二极管之间的半导体-电介质界面存在差异。由于印刷的PVP膜的厚度比旋涂的PVP膜要高，所以体陷可能在印刷设备的积聚区的频率分散中起作用。此外，由于印刷和旋涂的PVP膜的厚度为TIPS-戊烯器件略有不同，所获得的电容范围（在5kHz时）为45nFcm-2-48nFcm-2。
从C-V曲线上可以清楚地看到：高电容积累区的测量结果是在观察到负的偏置电压和低的电容在正的偏置电压下，耗尽区中的能量。带状电压略微向负偏压移动(用于从正偏压到负偏压的初始扫频)、这通常是一个正电荷的指示诱捕在电介质层中。差异在金属和半导体工作功能（JMS）和存在着正的界面电荷，在半已知导体--绝缘体界面是负责MIS中的负flatBand电压（VFB）。在7kHz时，从C-V曲线来看，VFB为我们提取了1.6V、-1.4V、-8.0V和-7.5V的电压，用于测量。
戊烯/旋涂PVP，戊烯/印染PVP、TIPS-戊烯/带涂层的PVP，以及TIPS-戊烯--PVP。烯/印刷的PVPMIS二极管，分别。该CV图中所示的四个MIS二极管的曲线是从负偏压扫到正偏压。滞后的情况其特点是，在静态电压(ΔVFB)方面的转变是所有五角星和TIPS-五角星的电压在5到7V之间。这个值大大高于比起我们之前对戊烯/PVPMIS二极管的研究，C-V曲线中的滞后现象是强烈的取决于电介质薄膜的厚度。在我们的工作中，适当的溶剂允许旋涂PVP薄膜，厚度小于70纳米，它显示了小得多的潮汐作用。从CV曲线来看，无意掺杂的浓度(NA)也是由1/C2值推导出来的。使用标准肖特基-莫特分析，掺杂浓度可以在耗竭区通过使用分析获得。
戊烯的电常数表1中列出了NA的值以及其他的数据。从C-V和G-V数据中提取的参数。C-V的滞后主要来自于被困的在绝缘体主体中的电荷或在半透明的玻璃上的电荷。导体--绝缘体界面。负电荷陷阱的结果是正的ΔVFB，而正电荷捕获产生负的ΔVFB。界面状态可以被门的低频变化所调制。偏压（几十到几百千赫），但在非常高的频率（1MHz）。接口陷阱的状态会在几个月内发生变化，以费米水平为中心的相互作用通过发射和接收，与半导体波段被检测到的是由于占用率的变化而导致的损失，而占用率的变化则是由于门槛的变化。
按照简单的近似，MIS二极管可以由半导体的绝缘体和耗尽层的串联电容来描述，正如在中讨论的那样。从耗尽区内测得的电容和电导数据中得出的不同偏压下的等效平行电导(Gp)被用来估计Dit，使用连续状态模型，即为公式
基于旋涂和印刷的PVP的五碳烯MIS二极管的Dit值非常相似，与TIPS-五碳烯MIS二极管相比要低。对于TIPS-戊烯MIS二极管，与印刷器件相比，旋涂PVP器件的最大Dit值大约是其两倍。印刷的TIPS-并五苯MIS结构的Dit值的改善（较低）与改善的FET特性是一致的。应该指出的是，尽管印刷的PVP/TIPS-pentacene显示出较高的C-V磁滞，但它的Dit值较低。与氧化物电介质不同，较小的C-V磁滞导致较小的Dit值，聚合物电介质往往表现得不同。C-V的滞后可能是由界面陷阱以及PVP中偶极OH基团的缓慢极化引起的。在较厚的PVP薄膜中，OH基团对滞后的影响更为明显。
不足为奇的是，由于印刷的PVP层较厚，C-V滞后比涂层的PVP/TIPS-PentaceneMIS装置要高。为了理解三个主要的观察结果，即与TIPS-戊烯/印刷的PVPFET相比，TIPS-戊烯/印刷的PVPFET的电荷载流子移动率始终较高，戊烯/印刷的PVP和戊烯/印刷的PVPFET性能相似、我们比较了FET和C-V测量的结果，并研究了其他形态上的限制。首先，印刷PVP与旋涂PVP在TIPS-penta-ceneFET中的载流子迁移率的差异并不是因为PVP本身的表面能。一个小的交流信号施加在门上的MIS二极管导致一个交替运动的带状边缘朝向或远离费米水平。使用电导率技术，界面陷落状态印刷和旋涂PVP的表面能和水接触角几乎是相同的。
这解释了为什么蒸发的五碳烯场效应晶体管对于印刷的和旋涂的PVP都有类似的表现。在解释Dit和Ntrap值的差异之前，我们指出，一个小的交流信号是超强加在Dit测量的直流偏压上的。当费米层上下摆动时，费米层附近的陷阱会改变占用率。因此，Dit值考虑到了费米级越过一个被占陷阱的时间和该陷阱实际清空的时间之间的滞后。相比之下，Ntrap值是由严格的直流测量得到的。与印刷器件相比，旋涂PVPTIPS-五碳烯场效应晶体管的Dit值要高一个数量级，这可能是因为TIPS-五碳烯层的实际形态不同，导致不同的陷阱分布。
与TIPS-戊烯/印刷的PVPFET相比，TIPS-戊烯/喷镀的PVPFET显示出一个数量级的高μ，这与较低的Dit值一致。TIPS-戊二烯场效应晶体管的跳跃传输特性的差异（作为温度的函数）不一定是与Dit有关。与TIPS-戊烯/印刷PVPFET相比，由FET特性确定的陷阱密度在TIPS-戊烯/印刷PVPFET中一直较高。在所有的温度下，旋涂的PVPFET的活化能更高，印刷的PVPFET。
研究总结
通过比较喷墨打印和旋涂PVP电介质层在五碳烯和TIPS-五碳烯场效应管和MIS二极管中的电气特性，这项工作探测了半导体-电介质的界面特性。在印刷和旋涂PVP上热蒸发的五聚氰胺薄膜在场效应管和MIS二极管中的器件性能相似。在印刷和旋涂的PVP薄膜上，滴注的TIPS-五聚氰胺显示出不同的形态。印刷的PVP薄膜允许沿印刷方向定向生长的TIPS-戊烯薄膜，从而改善了半导体-电介质界面，提高了场效应管和MIS二极管的性能。在室温下，印刷的PVP薄膜与旋涂的PVP相比，在TIPS-戊烯场效应晶体管上显示出一个数量级的高电荷载流子迁移率。从详细的C-V和G-V特性中，我们评估了Dit值，发现与旋涂PVP相比，印刷PVP的TIPS-戊烯的Dit值更低。因此，印刷电介质层提供了一个改善半导体-电介质的平台。