有机场效应晶体管中电子过程的理论研究和原位拉曼光谱的表征

发布时间：2020-04-28 00:42

【摘要】：有机半导体在实现低成本和柔性电子器件方面具有很大的前景,但现在仍然缺乏能够有效地描述有机半导体中电荷传输的理论。目前在有机半导体材料和器件的研究当中,主要借鉴了无机半导体中的能带概念,用分子轨道理论中能级的概念来解释实验现象并进行器件结构的设计。但无论是在微观的分子结构、界面效应、载流子传输过程还是宏观的介电常数、迁移率方面,有机半导体与无机材料都有很大的差异。另一方面由于分子微观结构不均匀和界面效应复杂,宏观的器件性能往往与材料表征结果差别巨大,但常规的衍射和显微技术难以直接研究在分子尺度上的电荷注入和传输,表观的电荷输运特性测试也无法追踪器件的稳健性。因此,开发一种能够直观可视地观察有机半导体中载流子动力学过程的新型表征方法对于更深入地理解真实器件的物理本质和表征材料的光电性质至关重要。我们将拉曼光谱表征与有机场效应晶体管的电学测试结合,分别用常规静态拉曼、共振拉曼和表面增强拉曼分别实现了晶体管沟道中电势分布的可视化和器件工作状态的追踪,并探讨了该方法的物理原理和普适性。本论文的工作主要包括以下四个方面:1.研究了电场极化作用下并五苯常规拉曼对电压的响应,并利用拉曼强度对器件工作电压的响应定性地观察了晶体管沟道中的电势分布。发现由于电压调控分子能级引起振动耦合的变化导致并五苯的共振拉曼强度对电压具有高度灵敏的响应,并利用这种响应对沟道进行原位共振拉曼成像间接地观察到了沟道的夹断点。2.通过实验结合理论计算研究了银基底表面并五苯的表面增强拉曼散射机理,发现银纳米粒子向并五苯的电荷转移激发是引起拉曼增强的主要因素。实验和计算都发现,在外电压下金属费米能级或分子轨道能级发生改变将引起拉曼强度的显著变化,因此表面增强拉曼散射同样对外电压具有高灵敏的响应。3.利用表面增强拉曼散射对电压的响应,将银纳米粒子引入并五苯薄膜中并进行原位拉曼成像,从二维SERS成像截面中观察到了沟道夹断点,且根据夹断长度计算得到的器件阈值电压和直接电学测试的结果非常接近。银纳米粒子具有明显的电荷存储效应,从原位SERS光谱中峰位和强度的变化中可以追踪电荷存储释放过程。通过改变银纳米粒子在活性层中的深度进一步探测了垂直于沟道方向的电势分布,实现了晶体管沟道电势和载流子浓度的三维分布可视化。4.研究了金、银基底分别与傒酰亚胺和并五苯结合时拉曼散射对电压的响应,总结了实现电压敏感的表面增强拉曼散射需要满足的能级要求和SERS基底的选择原则。发现了本体异质结中拉曼散射也受到器件工作电压的调控,其机理可能与光生局域电荷相关。
【图文】：

核磁共振,瑞利线,反斯托克斯,斯托克斯

当入射光子的能量恰好对应于分子的基态和激发态能级差的时候，分子会吸收这个光子并跃迁到能量更高的激发态。光吸收过程被广泛地应用于各种技术中。如 X 射线吸收光谱、核磁共振、红外光谱、紫外可见吸收光谱等等。而如图1-1所示，在光散射过程中，如果散射光的频率等于入射光的频率，即散射前后的光子能量不变，则称为弹性散射，也叫做瑞利（Rayleigh）散射；如果散射光的频率相对入射光发生改变，则称为非弹性散射，也叫做拉曼（Raman）散射，其中频率减小的散射称为斯托克斯拉曼散射，而频率增大的散射则称为反斯托克斯拉曼散射。在现代光学测试技术中，基于光散射原理的拉曼光谱与红外光谱相辅相成

示意图,振动跃迁,瑞利散射,拉曼散射

和m对应跃迁前后分子的振动能级。下图1-2展示了瑞利散射和拉曼散射的振动跃迁过程。图 1-2 瑞利散射和拉曼散射的振动跃迁示意图Fig. 1-2 Diagram of the Rayleigh and Raman scattering processes处于基态0分子受到入射光子0的激发，吸收光子的能量并跃迁到受激虚态，处于激发态的分子很快又以辐射跃迁的形式退激发回到基态0，释放出一个能量为0以光子，这个过程就是弹性碰撞，即瑞利散射；如果跃迁到受激虚态的分子退激发的时候并没有回到到基态0，而是跃迁到了电子基态下的其他振动态m上时，分子将吸收部分能量m m 0，，并释放出能量为0 m的光子。这个过程是非弹性散射，所产生的散射光为斯托克斯带。若分子本身处振动激发态m上
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386;O657.37

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