双极性和N型半导体聚合物的设计合成及光电性能研究

发布时间：2020-07-20 20:37

【摘要】：相比无机场效应晶体管,有机场效应晶体管(OFETs)具有质量轻、柔性好、可溶液加工及光电特性易调等优点,在集成电路、智能传感器、柔性显示、电子皮肤以及可穿戴器件等领域有广阔的应用前景。近年来,基于聚合物半导体的OFETs已经取得了重要进展。其中,p型聚合物半导体的性能已经超过了20 cm~2 V~(-1) s~(-1)。相比之下,双极性和n型聚合物半导体发展滞后,其电子迁移率普遍低于5 cm~2 V~(-1) s~(-1)。由于双极性和n型聚合物材料在逻辑电路和发光场效应晶体管等领域有重要的应用价值,该类材料的设计合成是本领域的一个重要研究方向。本论文以设计合成新型的双极性和n型聚合物材料为目标,通过研究这些材料的结构与性能的关系,总结出一些双极性和n型聚合物材料的有效设计策略。本论文的主要研究内容如下:1.提出了“受体二聚”策略,合成了双吡咯并吡咯二酮(2DPP)受体及其聚合物P2DPP-BT,P2DPP-TT,P2DPP-TVT和P2DPP-BDT。相比单DPP聚合物,2DPP聚合物的LUMO能级降低了约0.1 eV。单DPP聚合物基本上是一类p型材料,n型性能处于10~ 33 cm~2 V~ 11 s~( 1)量级,而2DPP聚合物均表现出优异的双极性传输特性。其中,P2DPP-TT的空穴和电子迁移率各为4.16和3.01 cm~2 V~ 11 s~( 1),是文献报道的双极性材料的最好结果之一。2DPP聚合物的电子迁移率相比单DPP聚合物的提高了两个数量级。这些结果表明“受体二聚”是实现双极性材料的有效策略。2.设计合成了三吡咯并吡咯二酮(3DPP)受体及其聚合物P3DPP-BT。该聚合物是一个窄带隙材料,其光学带隙为1.27 eV。该聚合物的HOMO和LUMO能级分别为-5.45和-3.51 eV。基于该聚合物的OFET器件表现出平衡的双极性传输特性,其空穴和电子迁移率分别为1.12和1.27 cm~2 V~ 11 s~( 1)。3.采用“多氟取代”策略合成了异靛蓝的聚合物PIID-2FBT,P1FIID-2FBT和P2FIID-2FBT。从PIID-2FBT到P2FIID-2FBT,氟原子的增加使得聚合物的平面性变好,LUMO能级降低,结晶性变强。PIID-2FBT,P1FIID-2FBT和P2FIID-2FBT分别表现出p型为主,平衡的双极性和n型为主的传输特性。其中,P2FIID-2FBT的空穴和电子迁移率各为2.75和9.70 cm~2 V~ 11 s~( 1),是文献报道的双极性材料的最好结果之一。我们引入了“有效质量”的概念来解释P2FIID-2FBT高性能的原因。该聚合物的有效质量很小,说明载流子在分子内的传输很快。这些结果表明可以通过设计具有适当的能级,高的结晶度和小的有效质量的聚合物来得到高迁移率的双极性材料。4.发展了一种通用的取代环化靛蓝(BAI)的合成方法,该方法对不同的取代基(氟、氯、溴、氰基、三氟甲基等)和不同的取代基位置都适用。基于这种方法,我们合成了一系列新型的BAI受体,同时合成了4个BAI的聚合物PBAI-V,P2FBAI-V,P2ClBAI-V和P4OBAI-V。这些聚合物都是双极性材料。其中,P2ClBAI-V的性能最好,空穴和电子迁移率分别为4.04和1.46 cm~2 V~(-1) s~(-1)。本工作发展的通用的取代BAI合成方法还可用于合成更多的新型BAI聚合物,将会极大地丰富双极性半导体材料的种类。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386;TQ317
【图文】：

器件,电子器件,有机半导体材料,有机光伏电池

1 绪论1.1 引言我们日常生活中常见的显示屏、手机和电脑等各种电子产品都是由无机电子器件组成的。无机电子器件的核心组成材料包括传统的硅、锗或砷化镓等无机半导体材料，这类器件存在着加工成本高、制备工艺复杂以及携带不方便等缺点。导电聚乙炔的发现揭开了有机导体及有机半导体材料的研究序幕，科学家开始研究以有机半导体材料为组成部分的有机电子器件。有机电子器件包括有机场效应晶体管(organic field-effect transistor, OFET)、有机光伏电池 (organic photovoltaic cell, OPV)、有机发光二极管 (organic light-emitting diode, OLED) 和有机热电 (organicthermoelectrics, OTE) 等（图 1.1）[1 4]。相比无机电子器件，有机电子器件具有质量轻、柔性好、可溶液加工及光电特性易调等优点，因此引起了研究人员和公司的广泛兴趣。

示意图,器件结构,示意图,半导体层

图 1.2 OFETs 的器件结构示意图Fig 1.2 The common device structures of OFETs效应晶体管的分类按照载流子的传输类型，可分为 p 型、n 型和双极性 OFET穴能有效注入到半导体层中并传输，则该类器件为 p 型 O到半导体层中并传输，则该类器件为 n 型 OFET；若空穴和电注入和传输，则该类器件为双极性 OFET。效应晶体管的工作原理一种通过控制栅极电压来调控源漏电极间电流大小的有源极和半导体层构建的平板电容器。OFET 的工作原理如下：，有机半导体层中的载流子密度很低，晶体管处于关态。当

夹断,线性区,饱和区,沟道

) OFET 器件的示意图；(b) 线性区对应的电流电压曲线；(c) 夹断点对应的曲线；(d) 饱和区对应的电流电压曲线 (a) Schematic illustration of OFET devices; (b) IDSversus VDSin the linear regioversus VDSat the pinch point; (d) IDSversus VDSin the satured region为一特定值时，随着源漏电压 (VDS) 增大，源漏电流 (IDS) 曲线会性区和饱和区三个特征区域。(1) 线性区：未施加 VDS时，沟道内匀分布的。当 VDS<<(VGVth) 时，载流子密度在整个沟道内呈现S与 VDS成正比关系，晶体管处于线性区，如图 1.3b 所示。(2) 夹增大，当 VDS=(VGVth) 时，漏极和导电沟道交界处的电场为零，及诱导出的载流子，导电沟道被夹断，此时 IDS达到饱和，IDS不而增大，该点被称为夹断点（图 1.3c）。(3) 饱和区：当 VDS继续(VGVth)，沟道内某一点会存在沟道的夹断，在该点和漏极之间沟耗尽。从源极到沟道夹断点间的载流子数量基本不变，因此 I不

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