外部电场对有机半导体电荷传输性能影响的理论研究

发布时间：2020-09-30 12:34

　　近年来,有机半导体因其在场效应晶体管、发光二极管等方面的应用而备受关注。虽然基于此类材料的器件性能在不断提高,可是目前有机半导体无论在载流子迁移率,还是空气稳定性方面,都远落后于传统的无机半导体。为了真正实现有机材料在电子设备中的应用,充分发挥其耐弯折、质轻等自身优势,提高有机材料本身的导电性能,完善器件的制作工艺十分关键。本文通过量子化学计算,使用密度泛函理论(DFT)方法,对具有代表性的两种(n型和p型)有机半导体基元的传输性质进行了深入研究。不同于早前已报道的理论工作,本文系统地研究了器件环境下电场对有机半导体电荷转移以及空气稳定性的影响,发现不同方向的外部电场可以有效地调节分子的空穴或电子重组能,从而改变材料整体的电荷传输效率。对于空穴传输型材料—寡聚四噻吩,当外部电场F_x由0 V/?升高到1 V/?时,空穴重组能从552 meV降至125 meV;而当F_z从0 V/?增加到0.5 V/?时,空穴重组能提高了48%。另外,针对电子传输型材料在空气中容易氧化失效,本文在分子水平上探讨了该类材料在空气中的退化机制,发现外部电场在该过程当中视施加方向可以起到促进或抑制的作用。对于傒酰亚胺体系,当外部电场为0 V/?时,O_3(O_2)在分子B2位点处的反应能垒为10.3(26.5)kcal/mol;当F_(-z)=0.75 V/?时,反应能垒升高到17.7(37.7)kcal/mol,表明该方向电场可抑制氧化反应;而当F_(+z)=0.75 V/?时,反应能垒降低至4.4(16.9)kcal/mol,表明强F_(+z)下傒酰亚胺容易被环境氧氧化进而导致材料性能失效。外部电场是一把双刃剑,充分利用外部电场给材料本身带来的性能优势的前提是分子堆叠方式与器件中电极安放位置(决定电场方向)要匹配,从而有利于电荷迁移和抗氧化。希望上述研究发现可以启发实验科学家设计并改进材料和器件结构,以期实现更好的半导体性能。
【学位单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

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.2 有机半导体有机半导体按载流子类型可分为 p 型（空穴传输型）有机半导体和 n 型（电子传输机半导体 2 。p 型有机半导体具有以下特点：第一、分子结构具有大π共轭和 p-π共，这种轨道为电荷传输提供通道；第二、分子中含有能够提供π电子的原子（芳香物且芳环上常含有供电子基团）；第三、通常是分子量小于 1000 的小分子晶体。由有机半导体的最高占据分子轨道（HOMO）能级较高，电离能较小，因此有利于空入 3 。常见的 p 型有机半导体材料有并苯类[4-8]（其中并五苯的迁移率已达 35 cm2）、寡聚噻吩及其取代衍生物（~0.5 cm2V-1s-1）[10-15]、硒酚寡聚物（0.17 cm2V-1s-1）[1杂环低聚物（0.3 cm2V-1s-1）[18,19]和四硫富瓦烯衍生物（0.4 cm2V-1s-1）[20,21]等。近年然 p 型有机半导体材料的性能在不断提升，但其空穴传输性能与传统的无机硅 200 cm2V-1s-1）[22]仍存在很大的差距。图 1 是常见的 p 型有机半导体材料的分子25]。

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晶体管共同构筑的有机互补电路具有耗能少、操作速度快、噪音容限大等优点用于各种有机数字电路，是实现有机电学器件应用的基础。可是目前对 n 型有机料的开发却远远不及 p 型，具有高空气稳定性、高电子迁移率、可溶液加工性质机半导体材料十分短缺[28,29]，大大限制了相关电学器件的发展。n 型有机半导体最低未占据分子轨道（LUMO）能级较低，电子亲和能较大，因而有利于电子的结构特点如下：第一、分子通常由芳环组成，芳环上含有吸电子基团，例如酰胺、氧原子和金属离子等。第二、具有共轭π电子系统，而且邻近分子间的电子波程度越大，其性能越优。常见的 n 型有机半导体材料有：傒酰亚胺类（2 cm2V-13]、萘酰亚胺类（8.6 cm2V-1s-1）[34-37]和并五苯及 C60的吸电子基衍生物 38 等。在空气文献报道某些 n 型有机半导体薄膜晶体管可以维持相当时间的稳定状态[39,40]，绝知的 n 型有机半导体薄膜晶体管暴露在空气中性能都会退化甚至失效。因此，找影响材料性能的关键物质并抑制该物质与材料的相互作用是提高材料在空气中稳电性的关键。图 2 是常见的 n 型有机半导体材料的分子结构[23-25]。

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开关电路、放大器电路、振荡器电路、电流源电路、稳压电电路等，主要是通过小信号来控制大电流。晶体管种类很多型场效应管、金属氧化物半导体场效应管和单结晶体管等。机场效应晶体管为例，了解有机半导体材料在电子设备中的哪些因素对有机半导体的电荷传输性能和空气稳定性有影响工作效率的内在因素和外在因素。图 3 是有机场效应晶体管应晶体管主要包括三个组成部分：电极（栅极、源极和漏极）在栅极施加一个电压（VGS）时，栅极和有机半导体层会形成以诱导载流子在介电层与有机半导体层的界面聚集。当 VG导晶体管产生导电沟道的最小电压），介电层与有机半导体层，即产生电流。当 VGS比 VTH更负时，介电层与有机半导体的空穴载流子，即为 p 型有机场效应晶体管。当 VGS比 VTH层的界面会产生大量地可移动的电子载流子，即为 n 型有机场

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