二维有机半导体电学输运性质的研究

发布时间：2017-12-09 19:18

  本文关键词：二维有机半导体电学输运性质的研究

  更多相关文章： 有机半导体 范德华外延 迁移率 异质结 跃迁 能带输运

【摘要】：自从1980s第一个基于有机半导体的场效应晶体管被发明以来,就受到了工业界和学术界的强烈关注。有机场效应晶体管(OFETs)具有独特的轻便,低成本,柔性等优势,被广泛的用于电子和显示行业。有机半导体中的载流子传输发生在靠近介质层的几个分子层的范围内,是一个二维传输的过程。虽然近年来体材料有机半导体的迁移率得到了很大的提高,但是直接研究二维尺度下有机半导体与结构相关的本征输运性质的问题还没有得到解决,因为在超薄的有机半导体中存在的大量的缺陷和电荷陷阱使得我们不能得到材料的本征性质。另外,半导体异质结是现代电学与光电器件的基本组成单元,包括发光二极管,激光二极管等,利用传统的分子束外延技术可以得到高质量的异质结,但对晶格匹配度要求特别高,严重限制了组成异质结的材料选择。随着石墨烯以及其他具有很弱层间范德华相互作用的二维材料的发展,范德华异质结应运而生,可以通过堆叠不同的材料形成,不同材料依靠范德华作用结合,降低了对晶格匹配度的要求。目前已经通过机械转移或化学气相沉积的方法得到许多高质量的平面和垂直异质结,但这些异质结几乎都是由二维的原子晶体组成。如果把基本组成单元从无机扩展到有机体系,将会极大的扩展对异质结的设计空间。本博士论文探索了二维尺度下有机半导体的电学输运行为,包括有机半导体材料并五苯与分子排列结构相关的载流子输运性质,以及由二维层状材料并五苯和 2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene(C8-BTBT)组成的平面和垂直异质结的电学性质。我们从二维半导体的制备,表征,再到器件的制备,测量分析,做了系统而全面的探索,论文的具体内容如下:(1)我们利用范德华外延在氮化硼(BN)衬底上外延生长出高度有序的二维单晶并五苯薄膜,可以实现层数从单层到三层的精确控制。通过原子力显微镜(AFM)表征发现靠近界面处的几层并五苯分子具有不同的排列结构,前两层(WL,1L)高度分别为0.5nm,1.14nm,随后的各层(2L,3L...)高度均为1.58nm,和体材料中一样,说明WL平躺在BN上,1L分子排列要比2L倾斜。通过高分辨原子力显微镜表征,我们得到1L和2L并五苯的晶格常数分别为a=6.23±0.07A,b=7.77±0.08A 和 a=6.03±0.05A,b=7.76±0.05A。1L 的并五苯元胞在 a 轴方向扩张了 0.2A(3.3%)。DFT计算结果表明1L的并五苯分子是沿着b轴倾斜的,导致并五苯分子的短轴与a轴更加平行,相邻分子间距离减小,排斥力增加,使得1L的晶格沿着a轴方向扩张。(2)我们研究了 BN界面处并五苯的分子排列结构对其电学输运性质的调控作用。我们发现因为缺乏π-π堆叠,WL并五苯不导电,1L并五苯器件具有理想晶体管的一些性质,如高迁移率(1～2cm2/Vs),近零的阈值电压,非常小的亚阈值摆幅,欧姆接触等,在低温下,迁移率随温度下降很快降低,载流子具有跃迁输运的性质,通过拟合分析可得到局域化长度～1nm;而2L并五苯在室温下迁移率比第一层稍高(～3cm2/Vs),在低温下表现出和第一层很不同的能带输运性质,随着温度下降迁移率逐渐升高,低温下迁移率可达到～5cm2/Vs,是相似温度下1L器件的50多倍。DFT计算很好的解释了 1L和2L并五苯分子排列结构对载流子输运性质的调控作用:在2L中,分子轨道沿着a轴和b轴重叠形成扩展态;而在1L中,分子更加倾斜,使得分子轨道的空间分布发生变化,只能跨越五个分子,载流子在被WL-1L界面局域化之前只能自由运动～1nm的距离,和实验结果一致。除了这个主要原因,还有一个影响因素是不同的层间耦合作用。WL和1L之间有很强的电学耦合作用,1L中的载流子很容易跃迁到WL然后被局域化,而1L对2L的作用却几乎可以忽略。(3)我们利用两步物理气相沉积(PVT)的方法制备了由层状二维有机半导体材料并五苯/C8-BTBT组成的高质量的平面和垂直的异质结。两种异质结都具有干净而清晰的界面,在界面处具有和无机异质结中相似的很强的内建电场。虽然并五苯和C8-BTBT是通过比较弱的范德华相互作用结合,但在垂直异质结中表现出了很强的外延关系。平面异质结的器件表现出了很好的整流效应,而在垂直异质结器件中观察到了负微分电阻现象。我们把范德华异质结的概念从无机拓展到了有机,为实现更多更复杂的功能提供了可能性。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304.5;TN386

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