有机单晶p-n异质结阵列的制备及其场效应晶体管的研究

发布时间：2020-05-22 19:58

【摘要】：近年来,有机半导体单晶材料由于其独特的光电特性而备受关注。然而有机单晶p-n异质结中有机单晶材料无序性与随机性的生长阻碍了其在大面积集成器件中的应用。本论文中,我们针对这个问题发展了一系列基于溶液法制备阵列化有机单晶p-n异质结的策略,实现了其在高性能场效应晶体管中的应用,主要研究内容如下:一、有机p-n异质结叠层单晶微米带阵列的制备及其在双极性场效应晶体管中的应用本工作中通过表面能诱导的逐步定位结晶的方法成功制备了大面积有机p-n异质结叠层单晶微米带阵列,所用的p型材料与n型材料分别为6,13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)并五苯(TIPS-PEN)和傒酰亚胺衍生物分子(BPE-PTCDI)。在三维光刻负胶SU-8与十八烷基磷酸(ODPA)亲疏水修饰的辅助下,我们成功地将p型以及n型微米带的成核位点精确定位在具有高表面能的三维光刻胶模板的边缘。同时利用了提拉的方法来为p型以及n型微米带的生长提供一致方向使它们能够紧贴着三维光刻胶的侧壁进行生长,最终获得了大面积且生长方向高度一致的有机p-n异质结叠层单晶微米带阵列。最后基于p-n异质结微米带阵列构筑了双极性OFETs,测试得到的空穴与电子的迁移率十分的平衡,最高迁移率分别达到了0.526 cm2 V-1 s-1和0.342 cm2 V-1 s-1,这在目前基于小分子单晶材料的双极性场效应晶体管已报道的工作中是最高的。且构筑的器件性能均匀,同一基底上的40个器件的空穴与电子的平均迁移率也分别达到了0.45 cm2 V-1 s-1和0.27 cm2 V-1 s-1。为了探索该体系在有机集成电路中的应用前景,我们构筑了集成电路中的单元元件反相器。该反相器工作稳定,在第一象限以及第三象限得到的电压增益最高值达到了17。因此通过该方法,我们可以成功制备大面积有机p-n异质结叠层单晶微米带阵列。这种方法在构筑大面积高性能的有机集成电子器件方面具有明显的优势,为未来有机集成电路的实现提供了一种全新的策略。二、有机体异质结微米带阵列的制备及其在双极性场效应晶体管中的应用本工作通过水面拖涂有机半导体与聚合物聚苯乙烯(PS)混合溶液的方法成功制备了大面积有机p-n体异质结微米带阵列,所用的p型材料与n型材料分别为6,13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)并五苯(TIPS-PEN)和苯并化合物(TIPSTAP)。我们还系统地研究了不同生长条件(相分离速度、水面拖涂速度以及p型n型材料混合比例)对于微米带阵列形貌以及载流子传输性能的影响。基于此有机体异质结微米带阵列我们成功构筑了双极性场效应晶体管,空穴与电子的迁移率平衡,分别为0.06 cm2 V-1 s-1以及0.01 cm2 V-1 s-1,电流开关比高达106。且器件性能表现均匀,同一基底上的40个器件中空穴与电子的平均迁移率分别达到0.035cm2 V-1 s-1和0.007 cm2 V-1 s-1。另外基于此有机体异质结微米带阵列构筑的反相器也展现出良好的器件性能,在第一象限以及第三象限得到的电压增益最高值达到了16,这展示了有机半导体在高集成度有机电路中应用的可能性。三、大面积有机半导体单晶薄膜的制备及其在单极性场效应晶体管中的应用本工作提出了一种饱和蒸汽辅助浅光刻负胶(SU-8)沟道诱导外延生长大面积有机半导体单晶薄膜的方法。这个方法主要是利用1,2-二氯苯(DCB)饱和蒸汽的氛围来增加C8-BTBT材料结晶的时间从而提高晶体的结晶质量,并且利用具有5°的斜坡给有机晶体的生长提供一个重力的剪切力,在浅光刻负胶沟道的诱导下使其可以沿着单一方向成核结晶,最终随着溶剂挥发可以形成大面积的2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(C8-BTBT)单晶薄膜。通过此方法得到的单晶薄膜表面粗糙度低至12 nm,所能达到的最大面积为1.5 cm×1 cm,是目前报道的面积最大的有机小分子单晶薄膜。同时还系统地研究了光刻负胶沟道的深度对于生长C8-BTBT单晶薄膜形貌的影响,并且结合高倍偏光显微镜原位表征了有机单晶薄膜的生长过程,详细地揭示其生长机理。基于此大面积单晶薄膜构筑的场效应晶体管(OFETs)器件,迁移率最高达到了0.9 cm2 V-1 s-1,且同一个基底上40个器件的平均迁移率也达到0.65 cm2 V-1 s-1,电流开关(Ion/Ioff)比达到106。器件工作具有良好的稳定性,与商用的无定性硅晶体管性能相当(迁移率0.1~1 cm2 V-1 s-1),这种大面积高性能的有机场效应晶体管有望在将来的大规模有机电子集成器件领域中得到广泛的应用,为有机器件的构筑提供了一种新思路。
【图文】：

有机小分子材料,发展史,迁移率,有机小分子

图 1-1-1 有机小分子材料迁移率发展史由于有机小分子的这些优点，，基于有机小分子单晶材料的研的广泛关注。目前比较典型的有机小分子半导体有并苯类[41,60]环分子（红荧烯）[42]等。

示意图,提拉,单晶材料,示意图

（a）提拉 DBA 微米带示意图；（b-d）不同大小范围内 DBA 微米带光学显09 年 Pei 课题组首先提出并将此方法应用到有机小分子单晶材料面[58]。同年 Tong 及其合作者运用提拉的方法获得了大面积排列有超长（几百微米）DBA 微米带单晶阵列（图 1-2-1）[43]。具体制备方
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

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