發(fā)布時間：2020-05-22 19:58

【摘要】：近年來,有機半導體單晶材料由于其獨特的光電特性而備受關注。然而有機單晶p-n異質(zhì)結中有機單晶材料無序性與隨機性的生長阻礙了其在大面積集成器件中的應用。本論文中,我們針對這個問題發(fā)展了一系列基于溶液法制備陣列化有機單晶p-n異質(zhì)結的策略,實現(xiàn)了其在高性能場效應晶體管中的應用,主要研究內(nèi)容如下:一、有機p-n異質(zhì)結疊層單晶微米帶陣列的制備及其在雙極性場效應晶體管中的應用本工作中通過表面能誘導的逐步定位結晶的方法成功制備了大面積有機p-n異質(zhì)結疊層單晶微米帶陣列,所用的p型材料與n型材料分別為6,13-雙(三異丙基硅烷基乙炔基)并五苯(TIPS-PEN)和傒酰亞胺衍生物分子(BPE-PTCDI)。在三維光刻負膠SU-8與十八烷基磷酸(ODPA)親疏水修飾的輔助下,我們成功地將p型以及n型微米帶的成核位點精確定位在具有高表面能的三維光刻膠模板的邊緣。同時利用了提拉的方法來為p型以及n型微米帶的生長提供一致方向使它們能夠緊貼著三維光刻膠的側壁進行生長,最終獲得了大面積且生長方向高度一致的有機p-n異質(zhì)結疊層單晶微米帶陣列。最后基于p-n異質(zhì)結微米帶陣列構筑了雙極性OFETs,測試得到的空穴與電子的遷移率十分的平衡,最高遷移率分別達到了0.526 cm2 V-1 s-1和0.342 cm2 V-1 s-1,這在目前基于小分子單晶材料的雙極性場效應晶體管已報道的工作中是最高的。且構筑的器件性能均勻,同一基底上的40個器件的空穴與電子的平均遷移率也分別達到了0.45 cm2 V-1 s-1和0.27 cm2 V-1 s-1。為了探索該體系在有機集成電路中的應用前景,我們構筑了集成電路中的單元元件反相器。該反相器工作穩(wěn)定,在第一象限以及第三象限得到的電壓增益最高值達到了17。因此通過該方法,我們可以成功制備大面積有機p-n異質(zhì)結疊層單晶微米帶陣列。這種方法在構筑大面積高性能的有機集成電子器件方面具有明顯的優(yōu)勢,為未來有機集成電路的實現(xiàn)提供了一種全新的策略。二、有機體異質(zhì)結微米帶陣列的制備及其在雙極性場效應晶體管中的應用本工作通過水面拖涂有機半導體與聚合物聚苯乙烯(PS)混合溶液的方法成功制備了大面積有機p-n體異質(zhì)結微米帶陣列,所用的p型材料與n型材料分別為6,13-雙(三異丙基硅烷基乙炔基)并五苯(TIPS-PEN)和苯并化合物(TIPSTAP)。我們還系統(tǒng)地研究了不同生長條件(相分離速度、水面拖涂速度以及p型n型材料混合比例)對于微米帶陣列形貌以及載流子傳輸性能的影響�；诖擞袡C體異質(zhì)結微米帶陣列我們成功構筑了雙極性場效應晶體管,空穴與電子的遷移率平衡,分別為0.06 cm2 V-1 s-1以及0.01 cm2 V-1 s-1,電流開關比高達106。且器件性能表現(xiàn)均勻,同一基底上的40個器件中空穴與電子的平均遷移率分別達到0.035cm2 V-1 s-1和0.007 cm2 V-1 s-1。另外基于此有機體異質(zhì)結微米帶陣列構筑的反相器也展現(xiàn)出良好的器件性能,在第一象限以及第三象限得到的電壓增益最高值達到了16,這展示了有機半導體在高集成度有機電路中應用的可能性。三、大面積有機半導體單晶薄膜的制備及其在單極性場效應晶體管中的應用本工作提出了一種飽和蒸汽輔助淺光刻負膠(SU-8)溝道誘導外延生長大面積有機半導體單晶薄膜的方法。這個方法主要是利用1,2-二氯苯(DCB)飽和蒸汽的氛圍來增加C8-BTBT材料結晶的時間從而提高晶體的結晶質(zhì)量,并且利用具有5°的斜坡給有機晶體的生長提供一個重力的剪切力,在淺光刻負膠溝道的誘導下使其可以沿著單一方向成核結晶,最終隨著溶劑揮發(fā)可以形成大面積的2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(C8-BTBT)單晶薄膜。通過此方法得到的單晶薄膜表面粗糙度低至12 nm,所能達到的最大面積為1.5 cm×1 cm,是目前報道的面積最大的有機小分子單晶薄膜。同時還系統(tǒng)地研究了光刻負膠溝道的深度對于生長C8-BTBT單晶薄膜形貌的影響,并且結合高倍偏光顯微鏡原位表征了有機單晶薄膜的生長過程,詳細地揭示其生長機理。基于此大面積單晶薄膜構筑的場效應晶體管(OFETs)器件,遷移率最高達到了0.9 cm2 V-1 s-1,且同一個基底上40個器件的平均遷移率也達到0.65 cm2 V-1 s-1,電流開關(Ion/Ioff)比達到106。器件工作具有良好的穩(wěn)定性,與商用的無定性硅晶體管性能相當(遷移率0.1~1 cm2 V-1 s-1),這種大面積高性能的有機場效應晶體管有望在將來的大規(guī)模有機電子集成器件領域中得到廣泛的應用,為有機器件的構筑提供了一種新思路。
【圖文】：

圖 1-1-1 有機小分子材料遷移率發(fā)展史由于有機小分子的這些優(yōu)點，，基于有機小分子單晶材料的研的廣泛關注。目前比較典型的有機小分子半導體有并苯類[41,60]環(huán)分子（紅熒烯）[42]等。

（a）提拉 DBA 微米帶示意圖；（b-d）不同大小范圍內(nèi) DBA 微米帶光學顯09 年 Pei 課題組首先提出并將此方法應用到有機小分子單晶材料面[58]。同年 Tong 及其合作者運用提拉的方法獲得了大面積排列有超長（幾百微米）DBA 微米帶單晶陣列（圖 1-2-1）[43]。具體制備方
【學位授予單位】：蘇州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN386

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