將材料沉積到物體表面上的方法

2023-07-27 23:03:21 1

專利名稱：將材料沉積到物體表面上的方法
技術領域：
本發明涉及電子領域，更具體地涉及將材料沉積到，特別是溼沉積到諸如襯底的
物體表面上的領域。最具體地，本發明可以用於溼沉積有機材料，但其也可以用於沉積無機 材料。
背景技術：
傳統上，微電子技術圍繞著諸如矽(Si)或砷化鎵(GaAs)的無機材料進行開發。目 前正在圍繞諸如聚合物的有機材料對另一途徑展開研究，其原因是它們適於大規模製造、 它們的機械強度、它們的撓性結構或者甚至它們適於再加工。因此，已經基於有機二極體 (0LED)或者基於有機薄膜電晶體(0TFT)設計了顯示屏。此外，通過使用可溶性聚合物，使 通過旋塗例如噴墨或絲網印刷進行的層沉積技術的應用成為可能。 然而，有機材料的沉積面臨某些困難。更具體而言，難以在襯底表面上獲得品質良 好的導電有機層。實際上，導電有機層是通過有機結晶材料獲得的。與非晶材料不同，有 機結晶材料具有提供可靠且可控的電導的周期性分子結構；而非晶材料具有無規的分子取 向，由此使電子傳輸困難且因此導電性差。 然而，通過研究例如已經溼沉積至襯底表面上的結晶聚合物薄層的電學性質，一
般而言，觀察到紊亂的、難以預料的電流傳導而不是其提供期望的優良導電性。 實際上，由於襯底表面的不均勻性，形成有機材料層的一般技術(通常為沉積包
含在溶劑中稀釋的所述材料的溶液，接著蒸發溶劑，導致形成結晶化材料層)通常不允許
晶體網狀結構均勻生長。例如，襯底表面具有粗糙的小塊、不均勻的表面能、臺階或者還有
功能性元件，例如金屬連接。 此外，同樣由於襯底表面的不均勻性，非結晶有機材料在它們被沉積時還存在一 些問題，例如可溼性故障(wettability breakdown)或臺階(st印way)問題。

發明內容
本發明的目的是通過提出如下方法來解決前述問題將有機或非有機材料層沉積 到物體、尤其是襯底的表面上，其質量基本上與物體表面的狀態無關。 為此，本發明的目的是將材料層沉積到物體表面上，其包括沉積所述材料在第一 液體中的溶液的層，接著蒸發第一液體以形成材料層。 根據本發明，所述方法包括形成置於物體和溶液的層之間的第二液體的層，所述 第二液體與第一液體不混溶，其密度比第一液體的大，並且蒸發溫度比第一液體的高。
特別地，所用的溶液是指材料溶解於溶劑中，或者納米物體分散到分散劑中。
換言之，由材料和第一液體組成的溶液形成於第二液體"毯"的表面上，所述毯自 身沉積在物體表面上。由於第一和第二液體的不混溶性，兩種液體間的界面具有均一表面， 所述均一性與物體表面的狀態無關。然而，如果所述表面不是非常地均一，則應當指出，其 不均勻性在本質上是分子級的，是目前技術所無法達到的尺度。因此，應當指出襯底表面可以具有能量上(例如由於存在不同材料引起)或者幾何結構上(粗糙的小塊、臺階、灰塵 等)的大的差異，但是當存在結晶時不會直接影響形成於物體表面上的晶體質量或者也不 會相當簡單地影響所進行的沉積的質量。 這種均勻性還適合於結晶有機材料的晶體在第一液體蒸發時均勻地生長。由此在
第二液體蒸發之後在物體表面上獲得均一性高的晶體網絡。 根據本發明的一些實施方案，所述方法包含一個或多個如下特徵。 因此，希望進行沉積的材料不溶於第二液體。 第二液體層是通過在溶液層沉積之前將其沉積到物體上來形成的。 包含材料和第一液體及第二液體的混合物沉積在物體的表面上，第二液體層是通
過分層和相分離形成的。 第二液體的密度比第一液體的密度至少大0. 2mg/L。
第二液體的蒸發溫度比第一液體的蒸發溫度至少高20度。 溶液包含溶解於溶劑中的材料。更具體而言，溶劑為甲苯，而第二液體為氟化液 體，或者溶劑為甲苯，而第二液體為水。 溶液包含分散在分散劑中的納米物體形式的材料。該納米物體特別是納米線或納 米管，分散劑為醇，且其二液體為氟化液體。


通過閱讀以下說明，將更好地理解本發明；所述說明僅以舉例方式給出，並且是結 合附圖做出的，附圖中-圖1-4是說明根據本發明的沉積到整個平面上的方法中的步驟的示意性截面 圖；-圖5示出現有技術的臺階缺陷；-圖6和7示出本發明解決這類臺階缺陷的方式； _圖8示出現有技術中因存在表面缺陷引起的可溼性缺陷；以及-圖9和10示出本發明解決這類可溼性缺陷的方式。
具體實施例方式
下面將藉助於根據本發明的沉積材料層的圖1-4來描述方法。 在第一步驟過程中，將包含第一液體和第二液體以及沉積用材料的混合物10通
過溼沉積沉積到襯底12的表面上(圖1)。 例如，混合物10按如下製備將含有可溶於第一液體的材料的第一溶液與第二液 體進行混合；所述材料不可溶於所述第二液體。 而且，所選擇的第二液體與第一液體不混溶並且其密度比第一液體更大，使得發
生分層和相分離過程。然後第二液體採取襯底12表面上的層14的形式，而含有所述材料
的第一液體自身採取在第二液體的層14的表面上的層16的形式(圖2)。 此外，還選擇第二液體的蒸發溫度比第一液體的高，使得在第一液體蒸發時第二
液體不蒸發。 類似地，例如，混合物10是通過將納米物體與第一分散劑和第二液體混合來製備的，第二液體不與第一分散劑產生單相。 因此，在完成分層和相分離階段過程之後，本發明方法繼續進行，將由襯底12和 層14和16組成的組合件加熱至高於或等於第一液體蒸發溫度且低於第二液體蒸發溫度的 溫度。在該蒸發過程中，層16中包含的材料沉積，由此在第二液體的層14的表面上最終獲 得材料18的層(圖3)。如果材料有助於結晶，則由此獲得結晶化材料層。
在獲得層18之後，實施第二加熱階段，將由襯底12以及層14和18組成的組合件 升溫至高於或等於第二液體的蒸發溫度的溫度。然後第二液體的層14蒸發，使得材料18 的層沉積在襯底12的表面上，並且如果需要，完成乾燥(圖4)。 作為一種替代方案，不沉積含有材料和第一液體以及第二液體的混合物10，而是 在襯底12的表面上沉積第二液體的層，然後在第二液體的液體層上沉積含有有機材料和 第一液體的溶液層。 圖5示出了當將結晶或非晶材料的溶液的層20沉積到包含在其表面上形成突出 物的元件24、26的襯底22上時在現有技術中遇到困難的常見情形。通常，通過從溶液中蒸 發溶劑，在臺階28、30中出現沉積斷口。 根據本發明，使與第一液體不混溶且其密度比第一液體更大的第二液體的層32 沉積，填充襯底22和層20之間的空間，使得包圍元件24、26(圖6)，如同前面已經描述過 的。接著，通過相繼蒸發掉第一液體和其蒸發溫度比第一液體高的第二液體，獲得沒有臺階 28、30中的斷口的材料層20。實際上，當有機材料層20因第二液體層24的蒸發而下沉時， 它已經基本乾燥，其結果是它並不破裂。 圖8示出現有技術中將材料在溶劑中的溶液40直接沉積到襯底42表面上期間遇 到困難的另一常見情形。當所述表面含有疵點44、46如灰塵或粗糙小塊時，溶液層40在其 上反潤溼。這類缺陷在材料層起到電絕緣功能時尤為敏感，因為結果是漏電增加，並且一般 來說電性能下降。 通過在襯底42和層40之間形成第二液體的層47 (圖9)，然後使第一液體和第二 液體相繼蒸發，獲得其中表面缺陷44、46被掩蓋的材料層(圖10)。 根據本發明，第二液體與第一液體不混溶，並且與第一液體相比密度更大且蒸發 溫度更高。 優選地，第二液體的密度比第一液體的密度大0. 2mg/L並且比第一液體的蒸發溫 度高至少2(TC。低於這些值，本發明人已經觀察到在襯底表面上沉積材料的質量明顯下降。
優選地，第一液體為甲苯，第二液體為氟化液體，並優選為全氟聚合物，或者第一 液體為甲苯而第二液體為水。實際上，本發明人已經注意到，這些組合允許形成用於沉積用 材料的優質"毯"並允許形成優質材料層，尤其當這是半導體型時更是如此。
然而，根據預期用途，第一液體和第二液體可選自 B導電溶劑，例如摻雜的聚苯胺、聚乙烯二氧噻吩-摻雜的聚苯乙烯磺酸酯
(PDOT-PSS)，銦和錫氧化物(ITO)或墨水，即諸如乙二醇的溶劑中的金屬例如銀的納米顆 粒； B半導體溶劑，例如聚苯胺、PDOT-PSS、改性並五苯(TIPS)、聚噻吩(例如聚_3_己 基噻吩(P3HT))或者聚乙炔； B介電溶齊U，例如聚乙烯基苯酚(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、甲基倍半矽氧
5烷(P匪SQ)、聚醯亞胺、含氟聚合物(PVDF)或全氟聚合物(PTFE);
B極性溶劑，例如己烷、苯、甲苯、二乙醚、氯仿或乙酸乙酯； B極性非質子溶劑，例如1，4-二噁烷、四氫呋喃(THF)、二氯甲烷(DCM)或者丙 酮； B用於納米物體(例如矽納米線、碳納米管或納米顆粒)的分散劑，例如水或乙醇。
利用本發明，特別是由此獲得如下優點 B材料層的形成不依賴於它所要沉積到的表面。因此，屬於任何物體例如金屬或 塑料襯底的所述表面可以存在不均勻性，例如能量上的差異、粗糙小塊、灰塵或者形成突出 物的元件；以及 B當為了獲得具有良好電學品質的結晶層而使材料結晶時，由不混溶液體間的界
面形成了均一的結晶表面。
權利要求
一種將材料(18)的層沉積到物體(12)表面上的方法，其包括沉積所述材料在第一液體中的溶液(16)的層，然後蒸發所述第一液體以形成所述材料(18)的層，其中所述方法包括形成置於所述物體(12)和所述溶液(16)的層之間的第二液體的層(14)，所述第二液體與所述第一液體不混溶，其密度比所述第一液體的密度大並且其蒸發溫度比第一液體的蒸發溫度高。
2. 根據權利要求l所述的方法，其中所述材料(18)不溶於所述第二液體。
3. 根據權利要求1和2之一所述的方法，其中所述第二液體的層(14)是通過在沉積所 述溶液(16)的層之前將其沉積到所述物體(12)上來形成的。
4. 根據權利要求1和2之一所述的方法，其中使含有有機材料和所述第一液體以及第 二液體的混合物(10)沉積到所述物體(12)的表面上，所述第二液體的層(14)是通過分層 和相分離形成的。
5. 根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中所述第二液體的密度比所述第一液 體的密度至少大0. 2mg/L。
6. 根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中所述第二液體的蒸發溫度比所述第 一液體的蒸發溫度高至少20度。
7. 根據前述權利要求中任何一項所述的方法，其中所述溶液包含溶解在溶劑中的所述 材料。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中所述溶劑為甲苯並且所述第二液體為氟化液體。
9. 根據權利要求7所述的方法，其中所述溶劑為甲苯並且所述第二液體為水。
10. 根據權利要求1-6中任何一項所述的方法，其中所述溶液包含為分散在分散劑中 的納米物體形式的所述材料。
11. 根據權利要求io所述的方法，其中所述納米物體為納米線或納米管，所述分散劑為醇，並且所述第二液體為氟化液體。
全文摘要
本發明涉及一種將材料(18)的層沉積到物體(12)表面上的方法，其包括使所述材料在第一液體中的溶液(16)的層沉積，接著蒸發所述第一液體以形成所述材料(18)的層。根據本發明，所述方法包括形成置於所述物體(12)和所述溶液(16)的層之間的第二液體的層(14)，所述第二液體與所述第一液體不混溶，比所述第一液體的密度大並且比第一液體的蒸發溫度高。
文檔編號C23C26/00GK101781764SQ20091025394
公開日2010年7月21日 申請日期2009年12月9日 優先權日2009年1月19日
發明者瑪麗·埃茨曼, 穆罕默德·本瓦迪赫, 讓-瑪麗·韋裡亞克 申請人:原子能委員會