浸渍提拉法制备高结晶度有机半导体薄膜及其有机场效应晶体管研究

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近年来,为了制备大面积连续的高质量有机半导体晶态薄膜,人们研究开发了多种溶液加工方法。其中浸渍提拉技术是最早商业化的薄膜制备技术。浸渍提拉技术对衬底的材料种类和形状包容度高,设备简单,可快速大面积制备,因而广泛应用于太阳能、电子、汽车、机械等工业。尽管近年来有大量的研究集中于利用浸渍提拉法制备有机半导体薄膜,但该方法目前仍存在一些挑战。例如,无法得到大面积全覆盖的有机半导体薄膜,得到的薄膜厚度较厚等问题,制约了浸渍提拉法在有机电子领域的发展。针对以上挑战,本论文的主要研究内容如下:
  (1)首次提出利用弯月面角衡量浸渍提拉过程中溶液/衬底动态相互作用强弱的设想,实验证实了弯月面角的关键角色,通过控制弯月面角成功制备了大面积连续的晶态有机半导体薄膜。见于报道的浸渍提拉法只关注单一静态因素(如衬底种类,溶剂,浓度等)或这些静态因素的组合对渍提拉结果的影响,忽略了溶液/衬底动态相互作用,因而提拉得到的沉积物为条带状或树枝状晶体,覆盖度低,不利于器件制备。本工作首次提出利用弯月面角衡量浸渍提拉过程中溶液/衬底动态相互作用的强弱的设想,通过衬底修饰、溶剂种类、浓度、提拉速度等条件,调控弯月面角的大小,在合适的弯月面角下成功制备了多种有机半导体的大面积连续晶态薄膜。基于连续薄膜构筑的有机场效应晶体管的平均迁移率比条带阵列器件高出82%。该工作揭示了浸渍提拉过程中溶液/衬底动态相互作用的关键角色,给出了量化指标,为通过浸渍提拉法制备大面积连续的晶态有机半导体薄膜提供了理论和技术支撑。
  (2)利用水基双相浸渍提拉法成功制备了数个分子层厚的大面积连续有机半导体单晶薄膜,并研究了超薄薄膜的电荷传输性能。传统的单相浸渍提拉得到的有机半导体薄膜较厚(数十纳米),厚膜注入电阻大,不利于有机场效应晶体管等器件的构筑。本工作提出利用双相提拉法制备超薄有机半导体晶态薄膜的设想。利用水作为基底相,有机半导体溶液铺在水相上面作为第二相。系统研究了双相提拉过程中静置时间、溶剂种类、溶液浓度、提拉速度等多种因素对提拉过程中薄膜形貌、结构及厚度的影响,成功制备了数个分子层厚的大面积连续有机半导体单晶薄膜,研究了超薄薄膜的电荷传输性能,获得了性能优异的有机场效应晶体管。水基双相浸渍提拉法提供了一种简单高效的制备大面积连续有机半导体超薄单晶薄膜的新方法。
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