近日，清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室路新春教授团队柴智敏副教授联合中国矿业大学（北京）程洁教授，在基于表面能诱导定向组装的高保真、无咖啡环的金属氧化物薄膜晶体管制造领域取得新进展。相关成果以“High-fidelity, coffee-ring-free metal oxide thin-film transistor fabricated using surfactant-mediated surface energy-directed assembly”为题发表在Cell Press 旗下旗舰期刊 Device 上。

研究背景：

金属氧化物薄膜晶体管是显示、微处理器、逻辑电路、存储器、传感器和神经形态器件等电子系统中的关键基础器件。相比于传统微纳制造工艺 (光刻、真空薄膜沉积等)，基于溶液法的制造工艺具有成本低、设备简单、无需真空环境等优势。其中，表面能诱导定向组装 (surface energy-directed assembly, SEDA) 是一种利用基底表面能差异引导前驱体溶液选择性吸附的图案化工艺，已实现了在刚性硅基底和柔性聚酰亚胺基底上制备分辨率达 800 nm、线边缘粗糙度约 16 nm 的金属氧化物图案。然而，这一高分辨率、高保真图案化能力通常依赖低湿环境；当相对湿度升高至常规洁净室常见的 30%-50% 范围时，水汽冷凝会引起图案收缩，影响图案保真度和制造稳定性。此外，实现厚度均匀性也是基于溶液法的金属氧化物薄膜制造中的关键问题。液滴干燥过程中容易产生“咖啡环”效应，使溶质在图案边缘富集，造成薄膜厚度不均，进而影响电学性能。现有抑制方法虽可在一定程度上缓解“咖啡环”效应，但通常伴随聚合物残留、高沸点溶剂残留或干燥效率降低等问题。

研究内容：

研究团队在表面能诱导定向组装工艺中引入表面活性剂介导的干燥策略，在大气环境湿度下实现了高保真、厚度均匀的金属氧化物图案化，并进一步以氧化铟 (In₂O₃) 作为半导体沟道、氧化铟锡 (ITO) 作为源/漏电极和栅电极，氧化铝 (Al₂O₃) 作为介电层，构筑了全溶液法金属氧化物薄膜晶体管。

图1 表面活性剂介导的 SEDA 工艺制备厚度均匀的金属氧化物图案

机制解析：

引入表面活性剂 Triton X-100 一方面可降低水的表面张力，抑制水汽冷凝引起的三相接触线回缩；另一方面，其在液滴干燥过程中形成的表面张力梯度可诱导 Marangoni 流，从而抵消毛细流导致的溶质边缘富集。通过系统调控相对湿度和表面活性剂浓度，建立了图案形貌随工艺参数演化的相图，明确了实现均匀成膜的工艺窗口。

图2 表面活性剂介导干燥策略的调控机制

论文作者：

清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室23级博士生袁思晴和24级博士生王奕欢为论文共同第一作者，柴智敏副教授和中国矿业大学（北京）程洁教授为论文共同通讯作者，清华大学为第一通讯单位。该工作得到国家自然科学基金青年项目等多个项目经费支持。

原文链接：https://authors.elsevier.com/a/1n8f89UPy1k25Y

撰 稿 | 袁思晴

校 稿 | 徐军  张琳

编 辑 | 李双秀

审 核 | 解国新