大面积有机半导体单晶薄膜的生长及在场效应晶体管中的应用

摘要

近年来，有机小分子半导体单晶材料因其具备良好的光电特性，适用于柔性电子器件，已经受到人们的广泛关注。然而，由于有机单晶材料生长位置与生长方向的随机性，为实现大面积器件的制备带来了困难。本论文发展了大面积有机单晶薄膜的组装策略，研究了有机单晶薄膜生长条件和电荷传输之间的联系。实现了有机单晶薄膜在高性能柔性场效应晶体管(FETs)中的应用，主要研究内容如下：
　　一、大面积阵列化的有机单晶纳米带薄膜的生长及其在有机场效应晶体管中的应用
　　本工作利用一种简单的提拉法实现了大面积阵列化且高度有序的有机单晶纳米带薄膜地生长。首先把SiO2/Si基底浸入到溶液中并匀速向上提拉，当5×10cm2的基底提拉出液面后，基底上～60％的面积被有机单晶纳米带阵列薄膜覆盖。通过调控不同的提拉速度，得到表面光滑，宽度与厚度均匀的纳米带阵列薄膜，实现晶体质量地优化。基于高质量且阵列化的9,10-二苯乙炔基蒽(BPEA)单晶纳米带薄膜构筑的FETs，得到的迁移率最高为2.0cm2 V-1 s-1，平均～1.2cm2 V-1 s-1；该方法同样适用于其他有机小分子材料，基于6,13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)并五苯(TIPS-PEN)单晶纳米带阵列化薄膜制备的FETs，也可以表现出优异的性能，得到的迁移率最高为3.2cm2 V-1 s-1，平均～2.0cm2 V-1 s-1，同时具有较高的开关比Ion/Ioff>109和工作稳定性，能够有效地调控LEDs开关。因此，我们的工作为构筑大面积阵列化且高性能的有机单晶薄膜的电子器件具有具有重要意义。
　　二、大面积二维有机半导体单晶薄膜的制备及其在有机场效应晶体管中的应用
　　提出了一种有效地在水面上拉涂有机半导体与聚合物的混合体系，制备大面积二维2,8-二氟-5,11-双(三乙基硅烷基乙炔基)双噻吩蒽(dif-TES-ADT)单晶薄膜的方法。同时，研究了不同的生长条件，例如聚苯乙烯(PS)分子量，半导体与PS混合的比例浓度，拉涂速度以及溶剂比例组成，对单晶膜薄膜的形貌、微结构、形貌结晶质量的影响，以及最终对载流子传输性能的影响。所构筑的基于dif-TES-ADT单晶薄膜的FETs的最大迁移率达到24cm2 V-1 s-1，平均迁移率约16cm2 V-1 s-1，开关比Ion/Ioff～107，阈值电压VT=-10V；而且基于柔性基底构筑的FETs器件，同样表现出较高的电学性能。因此，我们制备dif-TES-ADT单晶薄膜的方法对于构筑高性能的有机电子器件以及柔性FETs器件具有较大的优势，为应用于集成电子器件提供了可能。
　　三、柔性基底上有机半导体单晶纳米带阵列场效应晶体管的构筑及其性能研究
　　通过转移印刷的方法，实现了在任意基底上构筑有机单晶纳米带阵列场效应晶体管。该方法首先在硬质SiO2/Si基底上旋涂一层作为支撑层及绝缘层的聚合物，然后在聚合物层基础上提拉生长有机单晶纳米带阵列，制备FET阵列，然后将SiO2/Si基底在刻蚀液界面上刻蚀SiO2后，把器件从水面间接转移至任意基底上。该工艺避免了直接在传统的柔性基底上构筑FET器件，因此能够有效避免温度和溶剂对基底的破坏。通过这种方法，我们实现了大面积(2英寸)、高性能(μmax=4.5cm2 V-1 s-1,μave=～2cm2 V-1 s-1)、柔性器件的制备，值得注意的是，该方法也适用于其他聚合物绝缘层与有机小分子体系，具有一定的普适性。同时，我们可以将器件转移至氧化铟锡(ITO)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲氧基硅烷(PDMS)、指甲、玻璃、铝箔等基底上，均能测出FET器件性能，对于超薄柔性基底器件，具有较好的折叠和弯曲稳定性，在折叠次数达到1000次，弯曲曲率半径达到～0.5mm时，器件性能较稳定，无明显衰退趋势。因此，通过转移印刷工艺能够有效的制备任意基底的FET器件，为可穿戴、柔性电子器件提供了前景。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 有机半导体单晶材料概述

1.2 有机半导体单晶薄膜的制备方法

1.3 有机单晶薄膜在场效应晶体管中的应用及发展前景

1.4课题的意义与主要内容

参考文献

第二章 大面积阵列化的有机单晶纳米带薄膜的生长及其在有机场效应晶体管中的应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 大面积二维有机半导体单晶薄膜的制备及其在有机场效应晶体管中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 柔性基底上有机半导体单晶纳米带阵列场效应晶体管的构筑及其性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

结论

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢