喷墨印刷：补充传统微纳加工，期刊Nano - Micro Letters相关研究
“咖啡环”效果：提高全印刷氧化物薄膜晶体管的性能
日记：纳米 - 麦克罗字母
标题：使用咖啡环效果的完全印刷的高性能N型金属氧化物薄膜
doi：10.1007/s40820-021-00694-4
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喷墨印刷是一种非效率，非接触，低成本，无罩的图案薄膜沉积技术。尽管其准确性不如传统的微纳米处理（例如光刻），但它使用的材料，低成本和简单的处理步骤都较少。这是对传统微型纳米加工技术的重要补充，并且有可能快速生产灵活，大型和大规模的电子设备。
通常，在喷墨印刷过程中，“咖啡环”效果是不可取的，因为它不仅会影响印刷膜的均匀性，而且会损害设备的电气性能。迄今为止，研究人员一直在努力抑制咖啡环结构的形成，以达到更好的膜均匀性。但是结果几乎没有效果，最完全印刷的金属氧化物薄膜晶体管具有相对较低的迁移率（0.04-12.9cm²V⁻S⁻S⁻），从而限制了它们在显示驱动程序和逻辑电路中的应用。
本文的亮点
1。作为半导体通道和电极的完全印刷的高性能薄膜晶体管，带有二锡氧化物（ITO）。
2。使用X射线光电子光谱法深入探索氧化物半导体/介电层的界面特性。
3。基于ITO薄膜晶体管的完整印刷NMOS逆变器的电压增长到3 V的最高为181。
内容简介
当您不小心将一滴咖啡，牛奶或茶滴到桌面上时，您可能会注意到桌面上的污渍的颜色不均匀（图1）。这是因为颗粒溶质在污渍边缘积聚的比中间更多，形成环形斑点。这种不平衡的沉积现象称为“咖啡环效应”，该效应主要受诸如液滴蒸发过程中溶质固体颗粒的外观，表面张力和对流等因素的影响。
图1咖啡干燥后剩下的环形污渍
西湖大学工程学院的朱鲍恩研究团队提出了一种新的印刷方法。使用“咖啡环”效果，它直接在印刷咖啡环结构上直接整合了氧化氧化物半导体薄膜晶体管（ITO TFT），从而实现了高性能薄膜晶体管和逻辑逆变器（NMOS逆变器）。这项工作解决了基于解决方案方法的喷墨印刷技术的困难，并在大区域，低成本电子设备和电路中显示出巨大的潜力。
利用而不是抑制“咖啡环”效果
印刷的ITO“咖啡环”膜中间的超薄部分（〜10 nm）用作出色的半导体通道，而较厚的边缘ITO可以用作源/排水（S/D）电极的一部分，实现了全面的打印制备和应用高度氧化图的应用。根据图中所示的准备过程（图2），底门和顶部触点结构薄膜晶体管逐渐印刷在玻璃基板上。其中，ITO既充当载体传输通道，又是接触电极，而Al₂o₃是栅极介电层。整个打印过程是在普通的实验室环境中进行的。打印后，每个功能层都被热退火，并在350°C下固化。
图2完整喷墨打印的Itotfts过程流
设备结构和电性能表征
透射电子显微镜（TEM）图像清楚地显示了Al₂o₃缓冲层，ITO栅极层，Al₂o₃电介质层和ITO通道层的分层结构，该结构在完全印刷的ITO TFT中。印刷的ITO膜表面轮廓显示出典型的咖啡环结构，中间区域较薄且边缘相对较厚。 The fully inkjet printed TFT array on glass shows close to 90% high optical transparency in the visible zone and has excellent electrical properties, with saturation mobility (μsat) of up to 34.9 cm² V⁻¹ s⁻¹, low turn-on voltage (Von=−0.09 V) and subthreshold swing (SS=105 mV/dec), good current switching ratio (Ion/off=10⁵),以及较低的工作电压范围（<2 V）（图3）。
图3设备结构和完全印刷的ITO TFT的电气性能
半导体/模具界面分析
此外，通过X射线光电子光谱法获得了ITO/Al₂o₃异孔的带状图（图4）。其中，界面处的皮带向下弯曲以形成二维电位井，这可以吸引和限制界面的自由电子。这是完全印刷的ITO薄膜晶体管具有出色的电气性能的重要原因之一。
图4 ITO/Al₂o₃接口能带的分析
完整打印TFTS的应用
为了探索全印刷ITO TFT的潜在应用，研究团队已经建立了一个NMOS逆变器，该逆变器使用了两个通过印刷的银电极连接的印刷的ITO TFT。顶部TFT充当耗竭载荷，以限制流过底部驱动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”），这表明驾驶员TFT由于ITO TFT的高移动性和较大的转弯电流而在短路中处于短路中。这意味着负载和驱动TFTS在逆变器中表现出良好的开关行为。该NMOS逆变器的最大传输增益达到181（VDD = 3 V），其性能比其他先前报道的金属氧化物TFT（图5）更好（图5），预计将用于柔性电子设备和电路。
图5。基于ITO TFTS的全部喷墨打印的NMOS逻辑逆变器
