二维有机半导体晶体液相生长及高性能场效应晶体管研究

发布时间：2020-06-13 07:07

【摘要】：有机材料的导电性及半导体性的发现可以追溯到上世纪八十年代,并逐步应用在有机场效应晶体管等光电器件中。在过去的二三十年中,多种功能性的有机半导体材料不断被合成,有机场效应晶体管器件性能也去的显著发展,且已经初步实现其实际应用。与传统无机半导体材料相比,有机半导体材料拥有质量轻、柔韧性高和拉伸性好等特点。同时,有机半导体功能性薄膜的制备不仅拥有无机半导体工艺的兼容性,而且可以在低温下通过液相的方法来实现大面积器件制备,能过有效降低设备要求和器件成本。此外,可以通过有机分子设计、合成和修饰实现特定的电学或光学性质;通过器件结构优化,使得器件性能不断提高。然而,相比无机半导体材料,有机半导体的整体迁移率还相对较低。有机电子器件并不是为了完全取代现今的无机半导体器件,而是作为某些应用的补充和拓展,利用其拥有的独特的无机半导体材料所不具备的特殊性质,满足现实中不断增长的实际需求。本文通过液相生长二维有机半导体薄膜,系统研究有机半导体薄膜的制备及有机半导体/介电层界面处的载流子输运,成功实现了高性能有机场效应晶体管器件。该系列工作中不仅克服了长期存在的液相制备大面积单层分子晶体的现实难题,而且对于有机场效应晶体管的基础输运等有机电子学领域的重要科学问题具有重要的指导意义;同时,因为液相制备的二维分子单层晶体可以与不同材料可相结合,这为未来实现高质量的二维异质结构电子器件等技术研究展示了通用的途径。本文的创新研究成果主要包括以下几个方面:1.利用“悬浮的咖啡环效应”,通过“气流辅助快速结晶法”液相制备高质量二维有机薄膜。调控不同的溶剂,浓度和气流速度等参数对薄膜沉积的影响,优化二维有机薄膜生长工艺,得到平整的C8-BTBT二维单晶薄膜。在此基础上制备基于二维有机薄膜的场效应晶体管器件,器件的平均载流子迁移率是4.8 cm2 V-1s-1,最高迁移率达到13.0 cm2 V-1s-1,这是二维有机薄膜器件中的最高性能。同时,为了实现二维有机薄膜在实际器件中的应用,我们进一步采用高介电常数介电层(A10x)来降低器件工作电压(-4V)同时保持较高的器件性能(平均迁移率是4.7 crrm2V-1 s-1,最高迁移率达到9.8 cm2V-1s-1)。2.创造性地设计“反溶剂辅助旋涂法”液相制备大面积C8-BTBT单层单晶薄膜,通过对溶液浓度、旋涂速度和反溶剂的量等参数对实验进行准确调控,优化制备的单层薄膜。以此单层薄膜作为模板沉积的有机半导体层薄膜表现出更好的分子排列和结晶度。基于该混合制备的半导体薄膜的场效应晶体管表现出显著提高的器件性能,平均载流子迁移率和最高迁移率达到9.8和11.3 cm2 V-1 s-1。我们进一步将该方法应用到有机场效应晶体管阵列器件中,得到较好的器件性能。3.通过对有机半导体/介电层界面进行系统性的研究,通过热蒸镀的方法成功在此界面处生长一层超薄的平躺的有机分子薄膜,能显著提高器件的整体性能。并充分证实该超薄的钝化层能够有效钝化界面处的极化作用,改善界面处的缺陷他密度分布,促进载流子输运。进一步,我们用超薄PMMA聚合物薄膜对此界面修饰也能得到类似的功能并发现该钝化层能有促进电极处载流子的注入,降低器件的接触电阻。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386

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