[發(fā)明專利]圖案化鈣鈦礦納米晶體薄膜及制備方法和陣列式薄膜器件

有效

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• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113451537B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李景虹;張昊;劉旦
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: H01L51/56
• 分類號: H01L51/56;H01L51/54;H01L51/50
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 曲進華

本發(fā)明公開了一種圖案化鈣鈦礦納米晶體薄膜和器件的制備方法，其包括：a將鈣鈦礦納米晶體分散在非極性溶劑中，加入極性溶劑，使鈣鈦礦納米晶體沉淀分離；b將洗滌后的鈣鈦礦納米晶體、光敏交聯(lián)型分子與非極性溶劑混合，制備納米晶體薄膜；c在紫外光照下對納米晶體薄膜進行曝光，引發(fā)光致交聯(lián)反應(yīng)；d采用非極性溶劑對所述薄膜進行洗脫。本發(fā)明的方法利用鈣鈦礦納米晶體的原始配體分子進行光交聯(lián)反應(yīng)獲得圖案化的納米晶體薄膜，所獲得的圖案分辨率小于10微米，并實現(xiàn)了陣列式鈣鈦礦納米晶體電致發(fā)光二極管(LED)的構(gòu)建，是一種高效、廣泛適用的鈣鈦礦納米晶體圖案化方法，在高分辨率LED顯示與光檢測器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種圖案化鈣鈦礦納米晶體薄膜，特別地，還涉及該圖案化鈣鈦礦納米晶體薄膜的制備方法，更進一步地，本發(fā)明還涉及一種包括圖案化鈣鈦礦納米晶體薄膜的陣列式薄膜器件。

背景技術(shù)

基于金屬鹵素化合物鈣鈦礦材料的光電器件展現(xiàn)出優(yōu)異的性能與應(yīng)用潛力，鈣鈦礦材料的化學(xué)組成一般為ABX₃，代表性化合物包括CH₃NH₃PbI₃和CsPbBr₃等。鈣鈦礦納米晶體是一類特殊的鈣鈦礦材料，其尺寸(在至少一個維度上)一般小于20納米。鈣鈦礦納米晶體具有光譜響應(yīng)范圍廣、顏色純度高、量子產(chǎn)率高、色域?qū)?、光譜精確可調(diào)等優(yōu)勢，在LED、激光、太陽能電池、光檢測器、類神經(jīng)器件等多個重要應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和巨大的潛力。例如，與膠體量子點材料相比，其光學(xué)性質(zhì)對表面缺陷不敏感因而易于獲得高量子產(chǎn)率，具有強離子性從而易于通過多種溶液方法合成，晶體結(jié)構(gòu)特殊并呈現(xiàn)出極窄的發(fā)射光譜。但是與此同時，鈣鈦礦材料特別是鈣鈦礦納米晶體的強離子性使其在光照、高溫、極性溶劑、高濕度環(huán)境下易發(fā)生分解、相變、團聚等現(xiàn)象。這些光、化學(xué)、相穩(wěn)定性方面的問題是鈣鈦礦納米晶體在走向?qū)嶋H應(yīng)用中面臨的巨大挑戰(zhàn)?；谕瑯拥脑?，鈣鈦礦和鈣鈦礦納米晶體難以通過常規(guī)的方式進行圖案化。如何建立有效的圖案化方法是鈣鈦礦納米晶體應(yīng)用于高分辨RGB陣列式顯示器件和光檢測器陣列等重要集成式光電器件的一個基礎(chǔ)和前提。

針對鈣鈦礦材料(包括納米晶體及其他形式)的不穩(wěn)定性，特別是對極性溶劑等的敏感性，目前發(fā)展的鈣鈦礦材料圖案化策略主要是從傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)或已有的有機材料的圖案化方法出發(fā)并結(jié)合鈣鈦礦的特點進行修正。這些方法包括(1)基底模板輔助法、(2)噴墨打印法、(3)多層光刻膠與干法刻蝕結(jié)合的微加工工藝和(4)電子束刻蝕等。以上方法存在各自的缺陷，例如基底模板輔助法會依賴于特殊基底或模板，噴墨打印法存在分辨率差的問題，多層光刻膠與干法刻蝕結(jié)合的微加工工藝和電子束刻蝕等方法存在設(shè)備及工藝復(fù)雜，并且存在采用不利于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)與性能穩(wěn)定的溶劑與化學(xué)環(huán)境的缺陷。因此，盡管以上方法可以用于形成鈣鈦礦圖案陣列，但是此類圖案不利于保持鈣鈦礦的原有性質(zhì)，難于制備多層圖案化陣列，因此不能用于陣列式發(fā)光器件等鈣鈦礦重要的器件應(yīng)用情景。相比其他形式的鈣鈦礦材料，鈣鈦礦納米晶體由于尺寸和溶劑問題對化學(xué)環(huán)境、溶劑和表面配體化學(xué)更加敏感，因而目前缺乏有效的圖案化方法。

理想的圖案化方法應(yīng)能保持鈣鈦礦納米晶體的原有結(jié)構(gòu)、化學(xué)與光學(xué)性質(zhì)?；趥鹘y(tǒng)光刻膠、洗脫液、高強度激光與高能X射線、電子束等方法均在圖案化的同時損害了鈣鈦礦納米晶體的原有性質(zhì)。例如，激光直寫法中高能激光與鈣鈦礦納米晶體作用過程復(fù)雜，易導(dǎo)致納米晶體燒結(jié)而損害其原有性質(zhì)。電子束/X射線法具有高精度的優(yōu)勢，但是依賴于復(fù)雜昂貴的儀器設(shè)備和嚴苛的工作條件，無法在普通的加工環(huán)境下實現(xiàn)規(guī)模化、大面積、低成本的鈣鈦礦納米晶體薄膜圖案化，與具有多層功能材料結(jié)構(gòu)的集成式光檢測器、LED等的制備工藝不兼容。更重要的是，高能射線可導(dǎo)致納米晶體產(chǎn)生大量表面缺陷從而顯著降低光致發(fā)光和電致發(fā)光效率。噴墨打印法中涉及到“墨水”成分的調(diào)配，所引入的添加劑往往會影響納米晶體的性質(zhì)，墨水與打印基底的浸潤過程，如“咖啡環(huán)效應(yīng)”等，也嚴重影響所達到的圖案化精度與均一度，分辨率難以達到10微米或更小。