高性能有机场效应晶体管的设计、制备与性能研究

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近年来,有机电子学已成为一门重要的研究领域,取得了突飞猛进的发展。而有机场效应晶体管(OFETs)可用于逻辑电路,显示器,传感器等,是未来柔性电路中的主要构成单元。同时,有机半导体中的载流子传输机制和无机半导体有很大的区别。因此有机场效应晶体管的研究具有重要的技术价值和科学意义。运用不同的工艺技术,实现有机半导体的大面积,可重复,图案化制备,具有重要的现实意义。本论文围绕晶体管中有机半导体不同形态的制备方法:旋涂法(薄膜)、原位滴注法(单晶)、“液桥”诱导法(图案化单晶)及超疏水硅柱流涂法(图案化单晶),开展了高性能有机场效应晶体管的制备与研究工作。主要的研究工作包括以下六个方面:  1、首先设计合成了三种相同烷基侧链取代的横向π体系扩展的苝酰亚胺。通过紫外/可见吸收光谱,热重分析,示差扫描量热分析和循环伏安法测试了该系列有机小分子半导体的热学,光学和电化学性质。然后,采用旋涂法制备了该系列半导体的底栅顶接触有机场效应器件。研究表明,随着共轭体系的扩展,共轭骨架的刚性平面性增强,π-π重叠面积变大,电子传输性能得到了极大地提升。其中,共轭程度最大的苝酰亚胺-萘酰亚胺杂化分子(NDI-PDI-NDI)制备的有机薄膜场效应晶体管达到了0.44 cm2 V-1 s-1的电子迁移率,开关比达到了106。  2、通过在吡咯并吡咯二酮(DPP)骨架两侧引入不同的芳香取代基团,设计并合成了非对称聚合物PDPPTT-2T和PDPPMT-2T。该策略极大地改善了聚合物分子在非卤化溶剂中的溶解性。通过紫外/可见吸收光谱,凝胶渗透色谱和循环伏安法测试了该系列聚合物半导体的分子量,光学和电化学性质。然后,采用旋涂法制备了该系列半导体不同溶剂体系的底栅底接触有机薄膜场效应器件,证实了该类聚合物半导体在非卤化溶剂体系中具有优异的空穴迁移率,在甲苯/二苯醚体系中最高达到12.5 cm2 V-1 s-1,是卤化溶剂的2倍。  3、设计并合成了含有三个缺电子基团的基于吡咯并吡咯二酮(DPP)的三元受体聚合物PDPP2T-BT-co-NDI,其最低未占轨道能级(LUMO)达到了-4.28 eV,最高占据轨道能级(HOMO)为-5.49 eV。利用简单原位滴涂法制备了PDPP2T- BT-co-NDI的聚合物单晶纳米线,通过选区电子衍射和面外X-射线衍射的测试,证明了聚合物纳米线的单晶特性。采用有机线掩膜板的方法制备了该单晶纳米线场效应晶体管,惰性气体氛围中得到了1.61/0.98 cm2 V-1 s-1的空穴/电子迁移率,空气中得到了1.64/0.14 cm2 V-1 s-1的空穴/电子迁移率。说明聚合物中,多元缺电子基团的引入能够有效地调节半导体能级结构,实现高性能的双极性电荷传输。  4、利用混合溶剂滴涂法原位制备了具有不同桥连单元的基于吡咯并吡咯二酮的共轭聚合物的单晶纳米线。通过选区电子衍射和面外X射线衍射的测试,推断出两种纳米线的分子堆积方式。尽管两种聚合物只是桥连基团(噻吩和噻唑)不同,却表现出截然不同的“edge-on”和“face-on”堆积,以及载流子传输上的巨大差别。采用有机线掩膜板的方法制备了两种半导体的单晶纳米线场效应晶体管,其中,噻吩桥连的PDPP2TBDT半导体得到了双极性7.42/0.04 cm2V-1 s-1的空穴/电子迁移率,噻唑桥连的PDPP2TzBDT半导体得到了双极性5.47/5.33 cm2 V-1 s-1的空穴/电子迁移率。  5、采用经典的“液桥”诱导组装策略,以四氯苝酰亚胺作为n型有机半导体,得到了n型有机半导体单晶阵列。实现了单晶阵列的大面积,高取向制备,通过选区衍射等表征证明其单晶特性。其中,采用贴金膜技术制备的C8-4CIPDI单晶场效应晶体管电子迁移率达到了0.65 cm2 V-1 s-1,这与气相传输法制备的微纳晶场效应晶体管迁移率一致。随后,我们研究了浓度,溶剂以及取代烷基链对晶体质量及前迁移率的影响。  6、发展了一种超疏水硅柱流涂的方法,以二(三异丙基硅乙炔基)并五苯(TIPS-Pentacene)作为p型有机半导体进行了图案化单晶阵列的制备,得到了p型有机半导体单晶阵列。实现了单晶阵列的大规模,简便,高取向制备,通过选区衍射等表征证明其单晶特性。通过流涂速度的调节,实现了π-π堆积距离的调节;通过基底亲疏水梯度的调节,实现了半导体晶型不同亚稳态的调节。其中,采用普通蒸镀电极的技术得到了7.1 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率。
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