几种有机半导体薄膜形貌调控与有机场效应晶体管、光催化性能研究

发布时间：2020-11-16 23:58

　　 有机场效应晶体管在集成电路领域、显示领域、传感器领域、有机激光领域等有着重要的应用。如何提高场效应晶体管的性能,是亟待解决的问题。光催化剂能够有效利用太阳光分解水制氢和降解环境中的有机污染物,解决能源缺乏,环境污染等问题。如何提高催化剂的催化活性,是很重要的问题。有机场效应晶体管及有机光催化剂的光催化性能不仅依赖于有机材料的化学结构,也取决于有机材料的形貌和结构。因此本论文以酞菁铜、酞菁铁、苝酰亚胺三种半导体材料为研究对象,通过条件控制制备了一系列以酞菁铜为有源层的有机场效应晶体管(OFET)和一系列酞菁铁薄膜和苝酰亚胺薄膜,研究了形貌、结构和场效应晶体管性能,光催化性能之间的关系。相应的研究内容和结果如下:1.制备了以酞菁铜(CuPc)为有源层的底栅顶接触的有机场效应晶体管。真空沉积酞菁铜,通过极性不同的7种溶剂蒸汽处理酞菁铜薄膜。研究了有机溶剂蒸汽和酞菁铜薄膜形貌,结构和制备的有机场效应晶体管性能之间的关系。石油醚、苯、二氯甲烷蒸汽处理的表面形貌是纳米棒,四氢呋喃,丙酮蒸汽处理的薄膜表面形貌是竹叶状纳米带,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)蒸汽处理的表面形貌是短粗带枝杈的纳米棒,乙醇蒸汽处理的表面形貌是小的零星分散的纳米棒。通过考察石油醚蒸汽处理0、10、20、60 min时酞菁铜薄膜表面形貌,可知形貌的变化是由于溶剂蒸发过程中酞菁铜分子重排所致,而不是发生在溶解过程。通过UV-vis,XRD分析表明,溶剂蒸汽处理的酞菁铜薄膜是多晶结构,2θ=6.9°(d=12.8?)有一尖锐的衍射峰,对应(200)晶面,说明是α-CuPc。经溶剂蒸汽处理后结晶度增加,晶粒尺寸增大。其中石油醚蒸汽处理酞菁铜薄膜结晶度相对最大,晶粒尺寸最大。对OFET性能测试表明,石油醚蒸汽处理的酞菁铜薄膜制备的OFET场效应迁移率最大,开关比最大,阈值电压较小。2.以真空沉积在ITO玻璃、铜片、石英玻璃上的酞菁铁(FePc)薄膜做光催化剂,在可见光作用下光催化降解罗丹明B(RhB)。通过极性不同的溶剂蒸汽处理酞菁铁薄膜,不同处理时间得到的薄膜形貌和结构不同。研究了酞菁铁薄膜的形貌、结构、基质、厚度和罗丹明B降解率之间的关系。沉积在ITO玻璃上的经石油醚,DMF溶剂蒸汽处理0、24、36、48、72 h酞菁铁薄膜的形貌不同,石油醚蒸汽处理32 h酞菁铁薄膜表面形貌是纳米棒,DMF蒸汽处理72 h酞菁铁薄膜表面形貌是纳米片。通过UV-vis,XRD分析表明,溶剂蒸汽处理的酞菁铁薄膜是多晶结构,2θ=6.94°/6.98°(d=12.8?)有一尖锐的衍射峰,对应(200)晶面,这说明是α-FePc。经石油醚蒸汽处理36 h和DMF蒸汽处理72 h时衍射峰的强度最强,酞菁铁薄膜结晶度最大,说明FePc/ITO薄膜形貌是紧密排列纳米棒或数量较多尺寸较大纳米片时,薄膜相对结晶度最大,此时FePc/ITO薄膜使RhB的降解率相对达到最大值分别是32.9%和33.8%。不同基质酞菁铁薄膜光催化性能不同,沉积在ITO玻璃和铜片上的酞菁铁薄膜光催化性能大于沉积在石英玻璃上的酞菁铁薄膜。酞菁铁薄膜光催化性能与薄膜厚度有关,沉积在ITO玻璃上的酞菁铁薄膜厚度是10 nm好于50nm。沉积在ITO上经DMF蒸汽处理的酞菁铁薄膜光催化性能循环测试表明,酞菁铁薄膜光催化性能几乎不变,显示出优良的可重复利用性。3.真空沉积在ITO玻璃(基质温度20、50、100、150、200℃)上的苝酰亚胺(PDI)薄膜做光催化剂催化降解罗丹明B。研究了基质温度、薄膜形貌、罗丹明B降解率之间的关系。结果表明沉积基质温度是100℃时,薄膜形貌是在变大蠕虫状纳米粒子间夹杂着竖起的横截面是圆形的较粗纳米棒,薄膜粗糙度最大,比表面积最大,催化活性最大,对罗丹明B的降解率最大。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2;TN386
【部分图文】：

燕山大学工学博士学位论文这些电子可以定向移动形成电流。半导体和绝缘体具有相类似的能带结构材料禁带宽度较小，一般是指 0.1 eV < Eg < 4 eV，价带中的电子只需要较能量就能被激发到能量高的空导带上，因而导带上存在一定量的自由电子体材料在宏观上表现为具有较大的电导率。绝缘体材料禁带宽度较大，一 eV < Eg< 7 eV，价带的电子难以跃迁到空的导带上，从而在宏观上导致其出导电性较差或不导电。

（c） （d）图 1-2 有机场效应晶体管的四种基本类型 (a) 底栅顶接触 (b) 栅底接触 (c) 顶栅顶接触 (d)顶栅底接触Fig. 1-2 Schematic representation of four typical basic OFET structures (a) Bottom-Gate Top-Contact(b) Bottom-Gate Bottom-Contact (c) Top-Gate Top-Contact (d) Top-Gate Bottom-ContactOFET 的工作原理是通过改变栅极电压来改变有机半导体层的导电能力，从而控制通过源漏电极的电流的大小。以底栅顶接触结构的器件为例来详细解释 OFET器件的工作原理，如图 1-3 所示。在有机场效应晶体管中，加载于栅极与接地间的电压 VGS称作栅电压，加载于源漏电极之间的电压 VDS称作源漏电压，经过的电流IDS称作源漏电流或沟道电流。通常，场效应晶体管可以看成是一个由栅电极和有机半导体层构成的平板电容器，即源漏电极之间的导电沟道作为电容器的一个极板，栅电极作为电容器的另一个极板，沟道中的载流子密度通过加在栅极上的电压来进行调制。在外加栅极电压(VGS) 的情况下，会在绝缘层附近的有机半导体层部分感应出电荷，在一定的源漏

7酞菁图 1-4 常见 p 型有机半导体材料结构式g.1-4 The structural formula of p channel organic sem、富勒烯、寡聚噻吩和电荷转移盐等。常见吩齐聚物等。常见的高聚物有机半导体材料撑乙烯、噻吩荧烷共聚物等。
【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 刘向;刘惠;薛钰芝;;OTS修饰的不同厚度酞菁铜OTFT的研究[J];液晶与显示;2009年01期

本文编号：2886818