溶液法制备有机晶态薄膜及其晶体管特性研究

发布时间：2017-04-11 15:22

  本文关键词：溶液法制备有机晶态薄膜及其晶体管特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：有机场效应晶体管(OFET)因具有半导体材料丰富、可溶液加工等特点,在轻柔电子电路、显示驱动和传感等方面有广阔的应用前景。溶液法制备大面积有序的有机半导体晶态薄膜,不仅具有成本低、能够卷对卷(Roll-to-Roll)生产等优势,有助于解决非晶和多晶OFET面临的性能低、稳定性差的问题,已成为OFET研究的热点。然而,目前缺少有效的大面积有序晶态薄膜的常温制备方法,而且对于制备工艺与薄膜凝聚态间的微观关联研究较少。本论文在探索已有溶液方法的基础上,发展了两种常温制备大面积有序晶态薄膜的新的溶液方法,研究了有机半导体薄膜凝聚态结构与成膜工艺、器件性能之间的关系,制备得到了性能较高的OFET器件,并探索了器件在红光光敏、电存储等方面的应用。本论文的工作主要分为以下三个方面:1.选用了经典的剪切拉膜法,制备了2,3,3-三甲基1-H吲哚方酸菁的晶态薄膜。通过掠入射X射线衍射(GIXRD)系统研究了实验条件与薄膜凝聚态的关系,为发展新方法积累了经验。OFET迁移率达到0.04 cm2V-1s-1,接近量化计算得到的理论值。研究表明OFET能够对0.2-0.4μW/cm2的极弱红光有响应,响应度达到4800 A/W,超过了已报道的红光光敏OFET数据。2.发展了一种新型的通过真空度控制来实现的常温制备大面积有序晶态薄膜的溶液方法——挥发控制法。首先基于四氯化碳溶剂生长了6,13-二(三异丙基硅乙烷)-并五苯(TIPS-PEN)晶态薄膜并制备了OFET器件,探索了器件的稳定性和电存储特性,存储开关比达到102,存储时间超过1000 s。然后,以1,2-二氯乙烷为溶剂,环己烷提供溶剂氛围,生长了高质量的TIPS-PEN单晶薄膜,在未经过表面图案化的情况下,薄膜在基片表面的覆盖度超过90%。GIXRD研究表明,晶态薄膜的π-π堆积方向与挥发控制法诱导取向的方向一致。OFET的迁移率达到0.42 cm2 V-1 s-1,开关电流比达到105,明显的传输各向异性也表明了薄膜高度取向的特点。3.发展了一种新型的常温下快速制备大面积晶态薄膜的方法—马兰戈尼效应控制法,探索了马兰戈尼效应与溶质输运效应共同作用下,晶态薄膜的生长机理。该方法可以调控TIPS-PEN的薄膜厚度,进而调控器件的电学特性,OFET的开关电流比为105,迁移率达到0.92 cm2V-1s-1,处于常温制备TIPS-PEN晶态薄膜器件高性能之列,该新方法具有应用于生产的前景。
【关键词】：TIPS-PEN 溶液法 晶态薄膜 有机场效应晶体管(OFET)
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN32;TB383.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符号对照表9-11
• 第1章 引言11-37
• 1.1 有机场效应晶体管的基本结构、工作原理和研究状况11-17
• 1.1.1 发展概述11-12
• 1.1.2 有机场效应晶体管的基本结构12-13
• 1.1.3 有机场效应晶体管的工作原理13-16
• 1.1.4 有机场效应晶体管发展中的问题16-17
• 1.2 有机半导体单晶制备17-21
• 1.2.1 晶体和有机晶体的基本性质17
• 1.2.2 气相法生长有机单晶及其场效应晶体管制备研究进展17-19
• 1.2.3 溶液法制备有机单晶19-21
• 1.3 溶液法制备有机半导体晶态薄膜21-34
• 1.3.1 溶液法制备有机晶态薄膜的半导体材料22-25
• 1.3.2 溶液法控制生长有机晶态薄膜的主要研究进展25-32
• 1.3.3 溶液法在产业化中的制备温度问题32-34
• 1.4 溶液法制备有机晶态薄膜面临的问题34-35
• 1.5 论文的研究思路与主要内容35-37
• 第2章 实验方法与技术37-48
• 2.1 试剂与仪器37-39
• 2.1.1 主要试剂37-38
• 2.1.2 主要测试仪器38-39
• 2.2 薄膜的性质表征39-43
• 2.2.1 原子力显微镜研究有机半导体薄膜的表面形貌39-40
• 2.2.2 薄膜的面内与面外X射线衍射表征40-42
• 2.2.3 薄膜的偏光显微镜测试42-43
• 2.3 晶体管器件的制备与测试43-48
• 2.3.1 晶体管器件的制备工艺43-44
• 2.3.2 基片清洗工艺44-45
• 2.3.3 基片表面修饰工艺45-46
• 2.3.4 真空蒸镀制备金属电极46-47
• 2.3.5 薄膜晶体管的性能测试47-48
• 第3章 剪切拉膜法制备吲哚方酸晶态薄膜及其性质研究48-72
• 3.1 研究背景48-50
• 3.2 剪切拉膜法操作平台的建立50
• 3.3 吲哚方酸材料的合成、量化计算与薄膜制备50-57
• 3.3.1 吲哚方酸材料的合成50-51
• 3.3.2 吲哚方酸材料的量化计算51-53
• 3.3.3 基片的表面修饰与溶剂选择53-57
• 3.4 吲哚方酸薄膜的结晶性与取向性研究57-63
• 3.4.1 吲哚方酸薄膜的表面形貌57-58
• 3.4.2 速率对薄膜结晶性和有序性的影响研究58-60
• 3.4.3 温度对薄膜结晶性和有序性的影响研究60-61
• 3.4.4 夹角对薄膜结晶性和有序性的影响研究61-63
• 3.4.5 关于剪切拉膜法调控晶态薄膜制备的小结63
• 3.5 基于吲哚方酸晶态薄膜的场效应特性及其光敏性研究63-71
• 3.5.1 吲哚方酸薄膜的场效应特性研究63-65
• 3.5.2 吲哚方酸薄膜的传输各向异性研究65-67
• 3.5.3 吲哚方酸薄膜的光敏特性研究67-71
• 3.6 本章小结71-72
• 第4章 挥发控制法制备TIPS-PEN晶态薄膜及其性质研究72-99
• 4.1 研究背景72-73
• 4.2 挥发控制法73-76
• 4.2.1 挥发控制法的设计思路73-76
• 4.2.2 挥发控制法的实施过程76
• 4.3 单一溶剂制备TIPS-PEN晶态薄膜及其性质研究76-89
• 4.3.1 溶液的表面浸润性、浓度与晶态薄膜的生长76-82
• 4.3.2 挥发控制法的机理研究82-83
• 4.3.4 场效应晶体管的制备与性能研究83
• 4.3.5 晶体管的光敏性和稳定性研究83-87
• 4.3.6 晶体管的电存储特性研究87-89
• 4.4 不良溶剂气氛辅助制备TIPS-PEN单晶薄膜及其性质研究89-98
• 4.4.1 研究背景及实验过程89-92
• 4.4.2 TIPS-PEN单晶薄膜的取向性研究92-94
• 4.4.3 溶液浓度对于TIPS-PEN晶态薄膜的影响研究94-96
• 4.4.4 基于TIPS-PEN单晶薄膜的晶体管器件性能研究96-98
• 4.5 本章小结98-99
• 第5章 马兰戈尼效应控制TIPS-PEN晶态薄膜制备及其性质研究99-116
• 5.1 研究背景99-100
• 5.2 马兰戈尼效应控制TIPS-PEN晶态薄膜生长100-108
• 5.2.1 马兰戈尼效应介绍及其在晶态薄膜制备中的应用100-102
• 5.2.2 马兰戈尼效应控制晶态薄膜制备的实验装置与实施步骤102-103
• 5.2.3 TIPS-PEN晶态薄膜的表征103-105
• 5.2.4 TIPS-PEN晶态薄膜的取向性研究105-108
• 5.3 马兰戈尼效应控制晶态薄膜制备的生长机理研究108-112
• 5.3.1 马兰戈尼效应控制晶态薄膜制备中溶剂种类的影响108-110
• 5.3.2 马兰戈尼效应控制晶态薄膜制备中溶剂比例的影响110-112
• 5.4 TIPS-PEN晶态薄膜的晶体管特性研究112-115
• 5.4.1 TIPS-PEN晶态薄膜的厚度调控112
• 5.4.2 TIPS-PEN晶态薄膜的晶体管特性研究112-115
• 5.5 本章小结115-116
• 结论116-119
• 参考文献119-131
• 致谢131-133
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果133-135

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