基于溶液加工的有机薄膜晶体管的研究

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近二十年来,有机场效应晶体管(OFETs)吸引了化学、物理、材料和微电子等领域的注意。因为OFETs是有机集成电路的重要组成,在柔性智能卡、低成本射频识别以及有机显示等前沿应用中显示了巨大潜力。为了获得更好性能的OFETs,很多研究关注着合成更好的有机半导体和发展新的制备工艺。通过溶液沉积小分子有机材料薄膜是一种多样化、低成本的制备有机薄膜晶体管方法。由于合成小分子衍生物溶解性的改善和展现出的高迁移率,有序的分子结构,溶液法制备小分子材料成为近年的研究热点。本论文首先介绍了有机场效应晶体管的背景知识:包括有机电子学发展历史、OFET主要应用及研究现状。接着讨论了目前OFET研究存在的问题。第二章总结了有机场效应晶体管的器件结构和用于OFET的常见有机材料,包括有机半导体材料、电极材料和栅绝缘层材料。进一步详细介绍了OFET的工作机制、性能参数及载流子传输理论。本文以小分子有机材料和OFET为研究对象,从选材入手,沉积了TIPS-并五苯(TIPS-PEN),C8-BTBT有机半导体薄膜和制备了基于这两种有机半导体的OFET器件。本论文的主要研究工作和结论包括:采用一种简单而新颖的溶液加工法-空心毛细管印刷,分别在二氧化硅/硅衬底上制备了TIPS-PEN和C8-BTBT有机小分子薄膜。初步探索了柔性衬底上沉积TIPS-PEN有机薄膜。研究了沉积参数对薄膜形貌的影响。实验证明这种溶液法可以沉积均匀而连续的薄膜,晶粒大小与衬底移动速度、溶液浓度有关系,晶粒沿印刷方向可达10mm以上长度,1mm宽。在溶液沉积的有机薄膜基础上,进一步制备了OFET器件。以衬底硅为栅极,衬底上的二氧化硅作为栅绝缘层,高迁移率TIPS-PEN和C8-BTBT分别为有源层材料,真空热蒸发法制备金为源漏电极。通过四探针法测定金膜厚度,确定了真空热蒸发法的沉积参数。研究了溶液沉积时衬底速度、薄膜形貌、导电沟道与沉积相对方向对器件性能的影响。实验发现大晶粒薄膜有利于载流子传输,导电沟道与印刷方向对迁移率有很大影响。两种有机半导体的空穴迁移率分别达到0.87 cm2/V·s(TIPS-PEN)和2.79 cm2/V·s(C8-BTBT)。
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