论文标题：Inkjet Printing of a Gate Insulator: Towards Fully Printable Organic Field Effect Transistor

原文链接：https://www.mdpi.com/2673-3978/5/3/11

期刊名：Electronic Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/electronicmat

研究背景

有机场效应晶体管（OFET）凭借其柔性、大面积制造能力及低成本优势，在柔性电子和传感器领域展现出广阔的应用前景。传统制备方法多采用减材工艺，工艺流程复杂且难以实现高效定制。相比之下，喷墨打印作为一种数字化、可编程的增材制造技术，能够实现材料按需沉积，显著降低制造成本和工艺复杂度，且适用于柔性基底。高质量的栅极绝缘层是保障OFET性能的关键，聚（4-乙烯基苯酚）（PVP）因其高介电常数、低成本以及优异的机械柔韧性，成为理想的绝缘材料。本文通过系统调控喷墨打印工艺参数，优化PVP绝缘层的电学性能，为实现全印刷OFET的制备奠定了坚实基础。

研究内容

本文采用喷墨打印技术制备了不同分子量的PVP绝缘层，系统研究其对OFET电学性能的影响。结果表明，分子量较低（11 k）的PVP能够形成更加均匀致密且表面光滑的薄膜，有效减少针孔缺陷，使漏电流降低约一个数量级（约10^-9 A），显著提升了器件的电性能和稳定性。相比之下，分子量较高（25 k）的PVP薄膜则存在较多结构缺陷，导致漏电流增大。进一步的电学测试显示，低分子量PVP有助于提高载流子迁移率，增强半导体层的电荷传输效率。

除了材料本身，喷墨打印的工艺参数同样对栅极绝缘层的性能具有重要影响。本文分别探讨了打印方向、打印电压和滴频对OFET性能的调控作用。打印方向的实验结果表明，当PVP绝缘层的打印线与晶体管通道方向平行时，器件表现出更优异的电学性能，这是因为相邻打印线间的电荷跳跃减少，界面缺陷和电荷陷阱的形成得以抑制；而垂直于通道方向的打印则导致通道区域出现非连续性和更多缺陷，进而降低载流子迁移率。打印电压的优化实验显示，18 V为最佳打印电压，较低电压无法实现薄膜的充分覆盖和致密结构，而过高电压则使薄膜过厚，增加器件的工作电压，影响其性能。滴频的调节结果显示，10 kHz的滴频能够生成较小且紧密堆积的墨滴，有助于形成均匀的绝缘膜，进一步提升电学性能；而过高的滴频则可能导致墨滴融合不完全，引发薄膜表面粗糙或缺陷的产生。

此外，本文结合热蒸发法制备的金属电极与直接喷墨打印的有机半导体，构建了底栅底接触结构的OFET，实现了关键功能层的全喷墨打印。器件的通道长度为100 µm，宽度为0.7 mm。通过对材料选择与打印参数的综合优化，成功制备出具有低漏电流、高载流子迁移率及良好循环稳定性的器件，为全印刷电子器件的发展提供了坚实的实验基础和工艺技术支持。

图1. 有机场效应晶体管（OFET）示意图。介电层PVP采用喷墨打印技术制备，半导体材料TIPS-并五苯通过直接喷墨书写（DIW）打印，所有电极均采用热蒸发法沉积。

研究总结

本文系统地研究了喷墨打印制备PVP栅极绝缘层的工艺优化，明确了较低分子量PVP材料及打印参数（打印方向平行于通道、打印电压18 V、滴频10 kHz）对提升OFET电学性能的关键作用。低分子量PVP能够形成致密且均匀的薄膜，有效降低漏电流并提升载流子迁移率。打印工艺参数的合理调控优化了薄膜的形貌和界面质量，减少了缺陷和电荷陷阱，进一步增强了器件性能。结合直接喷墨打印的有机半导体和热蒸发制备的电极，构建的全喷墨打印OFET器件展现出优异的电性能和良好的稳定性，为未来低成本、大面积、柔性全印刷电子器件的制造奠定了坚实基础。该研究不仅深化了对喷墨打印材料与工艺参数对OFET性能影响机制的理解，也推动了有机场效应晶体管向高度集成化和个性化定制方向的发展，具有重要的理论价值和应用前景。

Electronic Materials期刊介绍

主编：Prof. Dr. Wojciech Pisula

1. Max Planck Institute for Polymer Research, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Germany

2. Department of Molecular Physics, Faculty of Chemistry, Lodz University of Technology, Zeromskiego 116, 90-924 Lodz, Poland

Electronic Materials（ISSN 2673-3978）是一本开放获取期刊，发表与电子材料相关的科学研究和技术发展。本刊为电子材料基础科学、工程和实际应用方面的综述、文章和简讯提供发表平台。