【摘要】：相比無機場效應(yīng)晶體管,有機場效應(yīng)晶體管(OFETs)具有質(zhì)量輕、柔性好、可溶液加工及光電特性易調(diào)等優(yōu)點,在集成電路、智能傳感器、柔性顯示、電子皮膚以及可穿戴器件等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。近年來,基于聚合物半導體的OFETs已經(jīng)取得了重要進展。其中,p型聚合物半導體的性能已經(jīng)超過了20 cm~2 V~(-1) s~(-1)。相比之下,雙極性和n型聚合物半導體發(fā)展滯后,其電子遷移率普遍低于5 cm~2 V~(-1) s~(-1)。由于雙極性和n型聚合物材料在邏輯電路和發(fā)光場效應(yīng)晶體管等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值,該類材料的設(shè)計合成是本領(lǐng)域的一個重要研究方向。本論文以設(shè)計合成新型的雙極性和n型聚合物材料為目標,通過研究這些材料的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,總結(jié)出一些雙極性和n型聚合物材料的有效設(shè)計策略。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1.提出了“受體二聚”策略,合成了雙吡咯并吡咯二酮(2DPP)受體及其聚合物P2DPP-BT,P2DPP-TT,P2DPP-TVT和P2DPP-BDT。相比單DPP聚合物,2DPP聚合物的LUMO能級降低了約0.1 eV。單DPP聚合物基本上是一類p型材料,n型性能處于10~ 33 cm~2 V~ 11 s~( 1)量級,而2DPP聚合物均表現(xiàn)出優(yōu)異的雙極性傳輸特性。其中,P2DPP-TT的空穴和電子遷移率各為4.16和3.01 cm~2 V~ 11 s~( 1),是文獻報道的雙極性材料的最好結(jié)果之一。2DPP聚合物的電子遷移率相比單DPP聚合物的提高了兩個數(shù)量級。這些結(jié)果表明“受體二聚”是實現(xiàn)雙極性材料的有效策略。2.設(shè)計合成了三吡咯并吡咯二酮(3DPP)受體及其聚合物P3DPP-BT。該聚合物是一個窄帶隙材料,其光學帶隙為1.27 eV。該聚合物的HOMO和LUMO能級分別為-5.45和-3.51 eV�；谠摼酆衔锏腛FET器件表現(xiàn)出平衡的雙極性傳輸特性,其空穴和電子遷移率分別為1.12和1.27 cm~2 V~ 11 s~( 1)。3.采用“多氟取代”策略合成了異靛藍的聚合物PIID-2FBT,P1FIID-2FBT和P2FIID-2FBT。從PIID-2FBT到P2FIID-2FBT,氟原子的增加使得聚合物的平面性變好,LUMO能級降低,結(jié)晶性變強。PIID-2FBT,P1FIID-2FBT和P2FIID-2FBT分別表現(xiàn)出p型為主,平衡的雙極性和n型為主的傳輸特性。其中,P2FIID-2FBT的空穴和電子遷移率各為2.75和9.70 cm~2 V~ 11 s~( 1),是文獻報道的雙極性材料的最好結(jié)果之一。我們引入了“有效質(zhì)量”的概念來解釋P2FIID-2FBT高性能的原因。該聚合物的有效質(zhì)量很小,說明載流子在分子內(nèi)的傳輸很快。這些結(jié)果表明可以通過設(shè)計具有適當?shù)哪芗?高的結(jié)晶度和小的有效質(zhì)量的聚合物來得到高遷移率的雙極性材料。4.發(fā)展了一種通用的取代環(huán)化靛藍(BAI)的合成方法,該方法對不同的取代基(氟、氯、溴、氰基、三氟甲基等)和不同的取代基位置都適用�；谶@種方法,我們合成了一系列新型的BAI受體,同時合成了4個BAI的聚合物PBAI-V,P2FBAI-V,P2ClBAI-V和P4OBAI-V。這些聚合物都是雙極性材料。其中,P2ClBAI-V的性能最好,空穴和電子遷移率分別為4.04和1.46 cm~2 V~(-1) s~(-1)。本工作發(fā)展的通用的取代BAI合成方法還可用于合成更多的新型BAI聚合物,將會極大地豐富雙極性半導體材料的種類。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN386;TQ317
【圖文】：

1 緒 論1.1 引言我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷娘@示屏、手機和電腦等各種電子產(chǎn)品都是由無機電子器件組成的。無機電子器件的核心組成材料包括傳統(tǒng)的硅、鍺或砷化鎵等無機半導體材料，這類器件存在著加工成本高、制備工藝復雜以及攜帶不方便等缺點。導電聚乙炔的發(fā)現(xiàn)揭開了有機導體及有機半導體材料的研究序幕，科學家開始研究以有機半導體材料為組成部分的有機電子器件。有機電子器件包括有機場效應(yīng)晶體管(organic field-effect transistor, OFET)、有機光伏電池 (organic photovoltaic cell, OPV)、有 機 發(fā) 光 二 極 管 (organic light-emitting diode, OLED) 和 有 機 熱 電 (organicthermoelectrics, OTE) 等（圖 1.1）[1 4]。相比無機電子器件，有機電子器件具有質(zhì)量輕、柔性好、可溶液加工及光電特性易調(diào)等優(yōu)點，因此引起了研究人員和公司的廣泛興趣。

圖 1.2 OFETs 的器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1.2 The common device structures of OFETs效應(yīng)晶體管的分類 按照載流子的傳輸類型，可分為 p 型、n 型和雙極性 OFET穴能有效注入到半導體層中并傳輸，則該類器件為 p 型 O到半導體層中并傳輸，則該類器件為 n 型 OFET；若空穴和電注入和傳輸，則該類器件為雙極性 OFET。效應(yīng)晶體管的工作原理一種通過控制柵極電壓來調(diào)控源漏電極間電流大小的有源極和半導體層構(gòu)建的平板電容器。OFET 的工作原理如下：，有機半導體層中的載流子密度很低，晶體管處于關(guān)態(tài)。當

) OFET 器件的示意圖；(b) 線性區(qū)對應(yīng)的電流電壓曲線；(c) 夾斷點對應(yīng)的曲線；(d) 飽和區(qū)對應(yīng)的電流電壓曲線 (a) Schematic illustration of OFET devices; (b) IDSversus VDSin the linear regioversus VDSat the pinch point; (d) IDSversus VDSin the satured region為一特定值時，隨著源漏電壓 (VDS) 增大，源漏電流 (IDS) 曲線會性區(qū)和飽和區(qū)三個特征區(qū)域。(1) 線性區(qū)：未施加 VDS時，溝道內(nèi)勻分布的。當 VDS<<(VGVth) 時，載流子密度在整個溝道內(nèi)呈現(xiàn)S與 VDS成正比關(guān)系，晶體管處于線性區(qū)，如圖 1.3b 所示。(2) 夾增大，當 VDS=(VGVth) 時，漏極和導電溝道交界處的電場為零，及誘導出的載流子，導電溝道被夾斷，此時 IDS達到飽和，IDS不而增大，該點被稱為夾斷點（圖 1.3c）。(3) 飽和區(qū)：當 VDS繼續(xù)(VGVth)，溝道內(nèi)某一點會存在溝道的夾斷，在該點和漏極之間溝耗盡。從源極到溝道夾斷點間的載流子數(shù)量基本不變，因此 I不

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本文編號：2763919