液相法制备聚合物有机薄膜场效应晶体管

发布时间：2020-07-28 09:31

【摘要】：液相法是制备有机薄膜场效应晶体管(OTFTs)中半导体层最常用的方法之一,其具有成本低、耗能少、设备与工艺要求简单、适用于工业大规模制备等优势,因此得到了研究人员的广泛关注。液相法现多用于生长有机小分子单晶阵列或薄膜,但受制于材料本身的可拉伸性,往往难以满足人们对柔性电子器件的要求。与此相比,基于有机聚合物半导体材料制备的场效应器件,具有质轻价廉、可溶液法加工与柔性衬底相兼容等特点,使其在构筑大面积柔性电子设备方面有着独特的优势。由于聚合物大分子链的结构性差异,其成膜规律与小分子材料有很大区别,通过传统制备方法难以获得高质量聚合物薄膜。因此,优化薄膜生长方法,制备高性能聚合物场效应晶体管成为了近年来的研究热点。本论文通过改进滴注与旋涂两种传统成膜方法,有效地提高了poly[4-(4,4-dihexadecyl-4H-cyclopenta[1,2-b:5,4-b′]dithiophen-2-yl)-alt-[1,2,5]-thiadiazolo[3,4-c]pyridine](PCDTPT)薄膜晶体管的电学性能,并基于此制备了柔性器件,具体如下:1.我们设计了一种新颖的叠片滴注方法,对上层衬底进行十八烷基三氯硅烷(OTS)修饰,利用叠片结构中溶液在上下衬底表面张力的差异,在上层衬底上实现了溶液由内而外的定向引导。这种方法能够完全消除传统滴注中的咖啡环效应,从而获得大面积均匀的高质量PCDTPT聚合物薄膜。我们在此基础上制备了场效应晶体管,其迁移率达到了0.97 cm~2V~(-1)s~(-1),这是当前该材料通过滴注法得到的最高性能。2.我们利用简单的旋涂法,通过修饰绝缘层,调整溶液浓度、优化退火条件和溶剂的种类,得到了高质量PCDTPT聚合物薄膜,器件迁移率最高可达0.47cm~2V~(-1)s~(-1)。3.我们利用优化后的叠片滴注法生长PCDTPT聚合物薄膜,以耐有机溶剂的c-PVA为绝缘层,构筑了超薄柔性场效应晶体管,器件具有优异的随形贴合能力,展现了在未来可穿戴电子领域的应用前景。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386;TB383.2
【图文】：

电子显示,电子书,可弯曲,集成电路

.1 (a)柔性电子显示；(b)可弯曲的电子书；(c)可拉伸集成电路；(d)可贴合电子场效应晶体管简介科学技术的不断发展，传统的无机半导体材料已经不能满足人们对柔，有机半导体器件以其独特地物理特性开始获得大家的关注。以有机表的有机电子器件开始广泛应用于电子传感器[50]，有源矩阵显示[51]效应晶体管的发展历程，早在 1970 年 D.F.Batbr[52]等人就在酞著分子征。但这一现象比没有引起大家的关注。直到 1986 年 Tsumura 等人第一个有机场效应晶体管。在早期的有机场效应晶体管研究中，器件至 2012 年，U.Z.schieschang 等人通过对晶体管中源漏电极与半导体高电容的绝缘层材料，制备了迁移率高达 4.2 cm2V-1s-1的场效应器件机半导体材料重新受到关注，同年，A.Y.Amin 等以高电容的 AlOX C13-BTBT 薄膜的 OFET 空穴迁移率达到 17.2cm2V-1s-1[53]。至此，有始迎来了黄金时代，有机场效应晶体管迁移率不断刷新。更令人惊讶

转移特性曲线,单晶,饱和区,有机场效应晶体管

图 1.3 有机单晶场效应晶体管的输出曲线（a）与转移特性曲线（b）在转移特性曲线中，随着栅极电压的变化，器件依次经过关态、亚阈值区、饱和区和线性区。有机场效应晶体管的四个基本参数载流子迁移率（μ）、亚阈值斜率（S）、阈值电压（VT）和电流开关比（Ion/Ioff）均可以通过转移曲线获得。在场效应晶体管的基本参数中，迁移率是衡量半导体导电性能的重要参数，代表单位场强下载流子的平均迁移速度，（其单位是 cm2V-1s-1）。通过有机场效应晶体管的特性曲线我们可以计算出迁移率大小。由输出曲线中电流公式（1-1）和（1-2）可以分别得到在线性区和饱和区的场效应迁移率计算公式： 1- 4以饱和区的迁移率的计算为例，通过线性拟合饱和区中随 VG变化曲线的斜率值

示意图,分子堆积,聚合物薄膜,载流子

料分子的排列方式和薄膜的表面形貌也会影响载流子的传输。如图 1相比，载流子在堆垛方向和分子骨架链方向上的传输能力较好[69,70]子骨架链沿着电流方向紧密有序排列时，相邻链间的分子轨道重叠子在分子间跃迁的能力，有利于载流子的传输，所以紧密有序的有机到更高的迁移率。而且当分子有序堆积时，载流子需要穿透的晶界数少，所以器件性能比较优异。另外，分子的紧密堆积还能阻止空气中薄膜内部，水氧无法捕获分子层内部的载流子，从而提高有机薄膜在

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