湿法制备有机半导体器件及其应用研究

摘要

以“4C”为标志的二十一世纪，通讯（Communication）、电脑（Computer）、电子消费产品（Consumer electronics）以及汽车电子（car electronics）迅速发展。为了更及时准确快捷地获取信息，人们对信息网络终端工具--显示屏的要求越来越高，迫切需求轻巧便于携带、能迅速准确传递显示图文信息的显示器。阴极射线管（CRT）笨重体积庞大，而液晶（LCD）等离子（PDP）等平板显示器虽然质量较轻，但其高能耗且容易使图像失真等缺点总是难如人意。有机电致发光显示器（OLED）因有机材料的响应速度快自发光等特点正好满足了人们追求节能省电、快捷准确地获取信息的要求。因此，OLED自问世以来就得到迅速发展，现已成为最有发展前景的有可能取代LCD的新一代平板显示屏。
　　 根据发光材料分子量的不同，OLED可分为基于小分子材料的小分子显示屏（SMOLED）和基于聚合物材料的聚合物发光显示屏（PLED）。由于小分子材料通常溶解性较差，所以SMOLED一般采用真空蒸镀成膜。这种方法不但需要购置昂贵的实验设备，如价格昂贵的精细掩膜架，高精度的对位系统，而且材料浪费较多，使直接生产成本居高不下。同时这种蒸镀方式制备高分辨的显示器件时需要严格的对位工艺使产品的成品率难以提高，间接提高了生产成本。这样使OLED显示器在市场价格竞争中难以取胜，限制了其发展与应用。溶液处理湿法制备有机电致发光显示屏技术，如旋涂技术、提拉技术、丝网印刷以及喷墨打印技术等不需要高精度的掩膜工艺，因而制备工艺简单，成本较低，有利于制备大面积、高分辨率的显示屏，而且这些湿法制备工艺一般在较低的温度或者室温下操作，因此可以用来制备多种规格的柔性显示器件。湿法制备工艺一般只适应于制备可溶性高分子PLED，近年来高性能的可溶性小分子材料的研发拓展了这种简便低廉的制备工艺的应用范围。本论文主要研究湿法制备工艺在制备有机发光显示屏及有机场效应晶体管中的应用，以实现低成本高性能的有机发光显示屏。
　　 有机单色显示屏主要用于户外广告或空调、仪表以及MP3等要求较低的小尺寸屏幕显示。为了极大限度的降低成本，有机单色显示屏一般采用结构相对简单但每行像素之间都有数微米高隔离柱的无源驱动方式。在旋涂法制备显示屏薄膜时由于这些隔离柱的阻挡，会引起像素内薄膜的堆积，从而影响显示屏的发光效率及均匀性。我们通过改进旋涂工艺，改变旋涂时基片的放置位置；在旋涂PEDOT时，利用溶液高速回流的特点，采用高低转速两步成膜并在第二步旋转制膜时调转基片180°的方法，有效地改善了材料沿高隔离柱的堆积，及因为基片隔离柱在引线处开口不同而引起的单双行不均匀现象，增加了发光层薄膜的均匀性，提高了单个像素的发光面积，从而提高了单色显示屏的发光效率及整体发光均匀性，得到了发光效率高达14cd/A的绿光显示屏。
　　 喷墨打印图案化技术能极大的节省比较昂贵的发光材料、环境友好而在平板显示领域中逐步被确认为一种主流技术。在喷墨打印制备全彩显示屏技术中，如何配置可打印的墨水得到稳定的液滴，如何选择溶剂调节参数控制液滴干燥成膜的过程形成均匀同一的薄膜是制备高性能显示屏的关键。聚合物高分子材料分子量大，溶液浓度较高时会具非牛顿流体特性，难以形成稳定的液滴。我们创造性的将可溶性小分子溶液与聚合物溶液共混，充分利用小分子材料高效率长寿命的特点，同时通过高低沸点溶剂共混有效地抑制了咖啡环现象，得到了均匀铺展的膜层，提高了像素的发光面积及显示屏的性能。
　　 有源驱动技术因为单个像素独立驱动能有效节能降耗而越来越多地应用在有机平板显示屏上。目前使用较多的低温多晶硅驱动技术因需要多个晶体管驱动而使显示屏开口率降低，而有机薄膜场效应晶体管因材料本身低迁移率及多晶界无定形态薄膜的影响迁移率一直难以提高。沿π-π堆积方向生长的单晶一维纳米线具有较高的迁移率近来成为研究的热点。我们采用工艺简单低成本的提拉技术，控制小分子自组装原位生长制备了长度、密度及其周期性可精确调控的、迁移率为1×10-4c㎡V-1S-1的有机纳米线场效应晶体管阵列。这种制备工艺简单、器件体积小、可实现大面积及柔性器件的图案化有机纳米线场效应晶体管在集成电路及有机显示屏有源驱动上具有潜在的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 有机电致发光二极管概述

1.2.1 有机电致发光二极管的发展

1.2.2 有机电致发光二极管的基本结构及工作原理

1.3 有机平板显示屏技术

1.3.1 有机平板显示屏技术的发展

1.3.2 有机平板显示屏驱动技术

1.3.3 彩色化技术

1.4 有机场效应晶体管

1.4.1 有机薄膜场效应晶体管的发展

1.4.2 有机薄膜场效应晶体管的结构及工作原理

1.4.3 有机纳米线场效应晶体管的研发现状及发展

1.5 本论文的主要研究内容及创新点

第二章 有机半导体器件湿法制膜工艺

2.1 旋转涂布法制备薄膜器件

2.1.1 旋转涂布法制备薄膜的基本原理

2.1.2 旋转涂布法在有机电致发光二极管中的应用

2.1.3 旋转涂布法制备有机电致发光二极管的问题

2.2 喷墨打印技术简介

2.2.1 喷墨打印技术的发展

2.2.2 喷墨打印技术在有机半导体领域的应用

2.2.3 喷墨打印技术存在的问题

2.3 提拉技术简介

2.3.1 提拉法制备薄膜的基本原理

2.3.2 提拉技术的应用

第三章 旋涂法制备高性能无源有机单色平板显示屏

3.1 引言

3.2.1 无源单色显示屏的基片结构与设计

3.2.2 无源单色有机平板显示屏的制备

3.2.3 有机平板显示屏的性能与测试

3.3 传统的旋涂法制备无源有机单色平板显示屏的问题

3.3.1 高隔离柱对像素薄膜均匀性的影响及其解决方案

3.3.2 隔离柱两端开口不同对单双行像素发光的影响及其解决方案

3.4 本章小结与展望

第四章 喷墨打印技术制备全彩显示屏研究

4.1 喷墨打印技术制备PLED的现状

4.1.1 喷墨打印PLED设备的研发现状

4.1.2 喷墨打印技术制备的PLED原型产品

4.2 喷墨打印技术制备全彩显示屏的工艺研究

4.2.1 可打印墨水配制

4.2.2 稳定的液滴

4.2.3 精确的定位

4.2.4 厚度均匀的薄膜

4.3 喷墨打印技术制备PLED的寿命问题

4.3.1 聚合物与无机纳米材料复合获得稳定的蓝光材料

4.3.2 非酸性新材料取代PEDOT/PSS提高器件的寿命

4.3.3 改进器件结构提高器件寿命

4.4 喷墨打印PLED的未来发展趋势

4.4.1 开发全打印PLED显示屏具有低成本优势

4.4.2 喷墨打印杂化发光材料显示屏

4.5 本章小结与展望

第五章 提拉法原位生长图案化有机纳米线场效应晶体管

5.1 图案化纳米线的发展及其应用

5.1.1 VLS工艺

5.1.2 LB组装技术

5.1.3 微流技术

5.1.4 电场辅助技术

5.1.5 分子梳技术

5.1.6 提拉技术

5.2 提拉法图案化有机纳米线的基本原理

5.3 实验结果与讨论

5.3.1 实验材料

5.3.2 溶剂的选择

5.3.3 衬底提拉速度的影响

5.3.4 纳米线的长度与衬底停留时间

5.3.5 纳米线阵列的间距周期性

5.3.6 各阵列中纳米线的密度

5.3.7 器件的制备与性能

5.4 本章小结与展望

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢