分子自组装在有机薄膜晶体管中的应用

摘要

有机薄膜晶体管(OTFT)在其性能上虽已取得很大的进展,但仍存在许多问题。本文针对其迁移率和开关电流比偏低的问题进行了多方面的优化和改进,内容主要集中于分子自组装膜修饰有机半导体层/绝缘层界面对OTFT器件性能影响的研究。具体研究内容如下:
　　①本文简要介绍了OTFT的研究进展及热点问题,讨论了分子自组装技术在OTFT中的应用研究。详细论述了它的基本结构和常用的材料,包括衬底、电极、绝缘层及有机半导体材料等,以p型半导体为例,详细阐述了OTFT的工作原理并着重对表征其性能的三个主要参数进行了讨论。
　　②本文重点介绍了分子自组装膜修饰有源层/绝缘层界面在有机薄膜晶体管中的应用。介绍了分子自组装技术的工作原理及制备方法。阐述了分子自组装在晶体管中的所起到的作用:可以降低绝缘层的粗糙度和表面能,并提高有机半导体材料生长的有序性。采用底栅顶接触结构为器件的基本结构,6,13-二苯基并五苯(DPP)作为有源层材料,正十八烷基磷酸(ODPA)和OTS做分子自组装膜材料,6,13-五并苯醌(PQ)做有机模板层材料,表面热氧化形成二氧化硅(厚度约为300 nm)重掺杂的n型硅片做衬底材料,SiO2为栅绝缘层,金做源漏电极材料,制备OTFT器件。
　　通过AFM和SEM测试可知成功制备了分子自组装膜。PQ层和ODPA双分子层对诱导DPP形成高度结晶膜都是必要的。当ODPA双分子层被OTS代替后, DPP膜的结晶度变差。电流-电压特性曲线计算得到,通过ODPA自组装分子修饰、PQ做模板层、DPP做有机半导体层所制备的薄膜晶体管的迁移率μ为8.3×10?3cm2/Vs,开关电流比Ion/Ioff达到了2×104。
　　③针对目前石墨烯场效应晶体管存在的缺点,本论文将分子自组装膜引入石墨烯晶体管,探寻其对石墨烯器件的优化作用:与石墨烯层掺杂,调节石墨烯层费米能级,得到相应的石墨烯半导体晶体管;抑制石墨烯器件在测试过程中出现的迟滞效应,使得石墨烯器件中介电层/有源层之间载流子传输更加稳定。并通过电流-电压特性曲线计算了所制备的薄膜晶体管的迁移率μ。通过测试可知,生长在自组装分子修饰层上的石墨烯薄膜比直接生长在绝缘层上的石墨烯薄膜表面形貌更好,薄膜结晶性明显提升。