基于n-型有机半导体材料和光致变色分子的光响应有机场效应晶体管研究

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有机场效应晶体管(OFETs)因其在电子纸、传感器、射频识别等方面具有广泛的应用前景,近年来逐渐成为有机电子领域的研究热点。除了不断追求提高载流子迁移率和器件稳定性,OFETs的多功能化发展也引起了研究者越来越多的关注。将光致变色分子引入活性层是赋予OFETs光响应性能十分有效但也充满挑战的一种方法。至今为止,绝大多数通过活性层混合光致变色分子制备的光响应OFETs都基于p-型聚合物半导体材料,而基于n-型有机半导体材料的共混活性层的光响应OFETs却鲜有报道。因此,研究基于n-型有机半导体材料的光响应OFETs对于多功能半导体器件的发展具有重要的意义。  本论文通过将光致变色功能基元引入OFET活性层的方法制备了基于萘二酰亚胺(NDI)类n-型有机半导体材料和光致变色分子的光响应OFETs。研究了器件在紫外光和可见光照射下,OFET性能的光响应情况,并对器件光响应机理进行探索。本论文主要包括以下两部分:  (1)通过旋涂硫杂萘二酰亚胺n-型有机半导体材料(NDI2OD-DTYM2),螺吡喃光致变色分子(SP)与聚苯乙烯(PS)三组分的共混溶液的方法构筑了光响应OFETs的活性层。研究发现,PS聚合物基质的加入有效地改善了各组分之间相分离的情况,形成了均一的共混薄膜。基于该混合活性层的OFETs在紫外光照下,器件迁移率增大,源漏电流开关比降低;而在可见光照射下,各项OFET性能参数又能基本恢复至初始状态。研究OFET转移曲线发现,在紫外光照射下,低栅压处的源漏电流从1×10-9A增至3×10-7A后又在可见光的照射下恢复为1×10-9A。我们推测SP发生光致异构反应,在极性较弱的关环态和极性较强的开环态之间转变,改变了载流子传输沟道的导电性,从而调控OFETs的性能,实现了从光信号到电信号的转变。  (2)为了实现OFETs的多功能化,我们设计合成了一个新型光致变色有机半导体分子(NDI-DAE-NDI)。该分子用一个二芳烯单元(DAE)连接两个NDI芳核,既扩大了分子的共轭体系,又赋予有机半导体光致变色的特性。在313 nm波长的紫外光照射下,NDI-DAE-NDI紫外吸收光谱发生明显的变化,证明了分子的光致变色性质。我们用该化合物作为活性层通过溶液旋涂的方法制备其OFET器件,并研究了器件的光响应性。结果表明器件迁移率在紫外光照下逐渐降低,后又在可见光的照射下得以恢复。该方法不仅实现了光响应OFETs的构筑,而且无需考虑光致变色分子和有机半导体两相分离的问题,给光致变色活性层的构筑提供了新的思路。
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