双极型有机单晶场效应晶体管光电性质研究

发布时间：2018-10-31 14:43

【摘要】：有机分子晶体由于分子排列高度有序和极低的杂质含量,使晶体具有高的热力学稳定性和高的载流子迁移率。晶体中明确的分子结构和堆积方式,也为我们研究材料的结构特征(例如分子间相互作用力、分子的排列方式)与材料的性质(例如晶体的发光效率和晶体的电荷注入以及载流子迁移率)之间的关系提供了理想的模型。有机场效应晶体管尤其是双极型有机场效应晶体管是一种能够同时研究电子和空穴迁移特性的非常有效的器件。场效应晶体管特殊的器件结构为直接原位观察载流子的注入、复合和电致发光等物理过程提供了有效的手段。特别是基于高质量有机晶体的双极型有机场效应晶体管能够承受超高电流密度的注入和迁移而成为研究材料电学性质的有力工具。由于载流子的复合区域远离注入电极,有效地避免了电极对激发态的淬灭的影响。同时,双极型场效应晶体管在复合区域内的电荷密度低,可以有效地降低载流子与激子之间的相互作用,避免出现如同有机电致发光二极管(OLED)类型器件在高电流密度下普遍存在的效率滚降问题。所以双极型有机场效应晶体管被认为是有机电泵浦激光的候选器件结构。然而,目前为止,还没有通过有机场效应晶体管的结构中观察到电泵激光,这一方面是由于目前应用到晶体管结构中的有机半导体材料体系还不完善。双极型场效应晶体管对于有机单晶的质量和结构提出了非常苛刻的要求,目前仅有少数有机晶体能够满足场效应晶体管发光的条件。其中大多数的有机半导体材料又都属于空穴型,即使使用钙作为电子注入电极,也并不能获得理想的电子注入和迁移的能力。因此,开发新的能够在场效应晶体管中表现出平衡的载流子迁移率的晶体材料体系是一件非常有意义而且重要的工作。此外,场效应晶体管的器件制备中还要求有机晶体能够生长成片状的单晶。物理气相传输法(Physical Vapor Transport,PVT)是一种生长大尺寸高质量的有机晶体的常用的方法,可以得到非常薄而且表面光滑的晶体,这种晶体非常适合高性能有机单晶的场效应晶体管的研发。在物理气相传输过程中,晶体在高温条件下生长,气相中的分子具有较高的动能,能够以尽可能稳定的堆积方式形成晶体。同时,气相生长的方法有效避免了溶液法存在的溶剂对晶体表面腐蚀的作用,提高了PVT方法生长得到的晶体的表面的平整度,有利于提高晶体器件的性能。目前大多数有机单晶场效应晶体管中所使用的晶体都是通过该方法来制备得到的。在本论文的研究中,我们首先选用了我们研究组前期制备的片状晶体材料β-CNDSB作为研究对象,通过精确调整其PVT生长过程的各项参数,找到最优化的生长条件,详细研究了该片层晶体的晶体结构和晶面取向等基本结构性质,接着使用这种片层晶体制备了多种结构的场效应晶体管器件。器件显示出了双极型的、平衡的载流子注入和传输,获得的最高电子和空穴迁移率分别达到了2.50 cm2V-1s-1和2.10 cm2V-1s-1。并且在基于β-CNDSB片状晶体的钙/金不对称电极场效应晶体管中观察到了器件的场效应发光的现象,其场效应发光性质表现出了典型的因光波导效应导致的边缘发光的特性。接下来,通过对β-CNDSB晶体的结构和器件性质分析,我们设计合成了β-PBTA和α-PBTA两种新型有机半导体材料。通过PVT方法获得了各自的片状晶体,并对这两种晶体的结构进行了研究。我们使用这些片状晶体制备了多种结构的场效应晶体管器件,其中β-PBTA的片状晶体制备的场效应晶体管表现出了非常优异的双极型注入和传输的特性,最高电子和空穴迁移率分别达到了4.43 cm2V-1s-1和24.16cm2V-1s-1,在金/钙不对称电极的器件中,β-PBTA晶体场效应晶体管出现了场效应发光的现象。然而,基于α-PBTA的晶体的器件性能较差,我们仅仅观察到了器件的空穴注入和传输的性质,通过分析我们认为可能是晶体的导带能级较高,造成电子注入变得极其困难。另一方面,这两种晶体的光致发光效率相对不高,分别为32%和43%,也可能并不适合作为制备电泵浦有机激光器件的候选材料。最后,我们以β-CNDSB为模型,详细分析了在材料体系中强吸电性的氰基和规整的氢键网络结构对于器件的注入和传输的影响。指出了氰基和氢键网络结构非常有利于双极型晶体管中电子的注入。另外,我们利用能带理论分析了β-CNDSB晶体管器件中输出曲线中表现出的一定肖特基接触特性的来源。我们的研究指出:合理设计的分子的结构可以获得非常有利于有机分子在气相沉积的过程中形成片状晶体的分子;氰基的存在对于载流子的注入,尤其是电子的注入非常有利;强氢键的网络结构对于载流子的注入和传输过程都有非常重要的促进作用。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386

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