“咖啡环”效应：提升全印刷氧化物薄膜晶体管性能

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。

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。

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。

图2. 全喷墨印刷ITOTFTs工艺流程。

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(μ_sat)，较低的开启电压(V_on=−0.09 V)和亚阈值摆幅(SS=105 mV/dec)，良好的电流开关比(I_on/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。

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。

IV 全打印TFTs的应用

图5. 基于ITO TFTs的全喷墨印刷的NMOS逻辑反相器。