有机半导体微纳单晶材料图案化阵列的组装及其在场效应晶体管中的应用

摘要

有机单晶材料由于具有分子排列的长程有序性，缺陷和晶界密度较小等优势，通常具有较高的载流子迁移率和更长的激子扩散距离，是探索有机半导体本征性质和构筑高性能光电器件的最佳选择。然而，由于有机微纳单晶材料生长位置与方向的随机性，往往仅限用于基础特性研究或概念验证。此外，由于其输出信号小，最重要的是难以有序集成，使其在器件应用中带来了困难。因此，发展大面积有机微纳单晶材料的阵列化与图案化组装技术，并探索将其应用于柔性器件的可行性，对研究有机微纳单晶的本征性质、拓宽有机微纳单晶材料的应用领域具有重要的意义。本论文从制备大规模高性能有机半导体微纳单晶图案化阵列出发，以推进有机单晶场效应晶体管向实际应用推进为目标，开展了一系列工作：
　　1.将传统的光刻图案化技术与大面积旋涂工艺相结合，成功地实现了大面积(晶圆级)的有机半导体9,10-二苯乙炔基蒽单晶纳米线阵列的生长。通过预先在生长基底上光刻得到周期性光刻胶条纹沟道，并利用其作为有机单晶纳米线自组装生长的模板，随后将有机溶液旋涂在此模板上，旋涂结束后由于光刻胶对有机溶液的粘附力，使得溶液固定在光刻胶边缘。从而实现了各种形貌与结构的有机单晶纳米线的大面积阵列化生长。同时，我们详细地研究了纳米线在旋涂中的结晶过程，通过对结晶机理的认识，成功地实现了对纳米线晶体尺寸和位置的调控分辨率超过1μm。以此纳米线阵列构筑了大面积、高迁移率，抗弯曲性能优异的柔性场效应晶体管，其迁移率为3.4 cm2 V-1 s-1，是目前报道的同种材料中的最高值，且器件性能均匀，同一个基底上的72个器件的平均迁移率能达到2.52 cm2 V-1 s-1。开关比超过106，器件最大电流超过10μA，可以稳定工作6000次循环。这种大面积、快速(1分种内)构筑基于有机单晶纳米线图案化阵列高性能场效应晶体管的方法，为今后其在集成器件中的应用提供了可能。
　　2.发展了一种简单、普适性强的光刻胶条纹模板辅助浸涂法，制备高度均匀、大面积有序的9,10-二苯基蒽(DPA)单晶纳米线阵列。首先在生长基底上光刻得到周期性光刻胶条纹沟道，并利用其作为模板实施浸涂过程，浸涂完成后在光刻胶的两边得到了尺寸和结晶质量一致的DPA纳米线阵列，为实现高性能、均一的集成器件打下了基础。同时通过对纳米线阵列生长过程的研究，揭示了其生长机理，为后续的器件性能调控提供了理论指导。构建的基于单晶DPA纳米线阵列的场效应晶体管的最高迁移率高达39.36 cm2 V-1 s-1，平均迁移率30.3 cm2 V-1 s-1，其中平均迁移率超过了目前所有的有机半导体场效应晶体管。同一基底上63个器件迁移率具有很好的均一性，迁移率值的标准偏差小于5 cm2 V-1 s-1。最后利用转移印刷法在透明、柔性、曲面基底上构筑基于单晶DPA纳米线阵列的柔性、透明场效应晶体管，器件迁移率最高值为11.05 cm2 V-1 s-1，实现了有机柔性器件迁移率的最高值。展示了有机微纳单晶材料在未来大规模柔性、高性能光电子器件中的应用前景。
　　3.开发了一种创新的图案化排布2,7-烷基苯并噻吩(C8-BTBT)单晶阵列的新方法。通过有机单晶生长过程中在浸润区与非浸润区选择性沉积的特点，结合光刻图案化技术，精确地在基底上构筑周期性排布的图案化结构的浸润区域，从而实现了图案结构可设计的C8-BTBT单晶阵列。结合光刻对准技术，可以将C8-BTBT单晶阵列直接对准在晶体管源漏电极上，构筑高集成度的晶体管矩阵。该策略巧妙地发挥了光刻技术二次对准图案的优势，可以对有机晶体的位置进行二次对准。基于此方法，我们所得到的晶体管矩阵中，每平方毫米包含9×13个晶体管，其中最高迁移率为9.78 cm2 V-1 s-1，平均迁移率8.68 cm2 V-1 s-1。更重要地是，器件的集成度高出目前所有有机器件集成度2个数量级。展示了有机半导体在高集成度主动矩阵显示和高速有机电路中应用的可能性。
　　4.利用具有光栅结构的聚二甲基硅氧烷纳米沟道模板和接触印刷法这两种策略，解决了在柔性基底上制备大面积有机单晶半导体纳米线阵列的困难。同时针对在柔性基底上构筑场效应晶体管器件结构所面临的问题，我们发展了一种简单高效的转移印刷方法，成功地在任意基底上得到了各种电极结构。结合这两个方法，我们成功地构筑了基于有机单晶酞菁铜纳米线阵列的柔性场效应晶体管，同时研究了影响柔性场效应晶体管抗弯曲性能的因素，结果表明弯曲方向与衬底的厚度对柔性器件的弯曲稳定性影响很大。最后，展示了其在电子皮肤方面的应用。为高性能、柔性场效应晶体管的构筑提供了新的解决方案。
　　5.利用转移剥离的方法，成功将基于酞菁铜纳米线阵列的场效应晶体管构筑在了可弯曲、折叠、可穿戴和可黏贴的透明胶带衬底上。通过对转移剥离技术的优化，使基于该纳米线阵列的场效应晶体管的平均迁移率高达1.02 cm2 V-1 s-1，其中最高迁移率为1.5 cm2 V-1 s-1，这在当时是所有有机柔性器件中的最高值。同时，胶带基底上所构筑的场效应晶体管具有优异的弯曲稳定性，3 mm弯曲半径下，器件仍然保持应有的电学特性。这对于柔性器件的实际应用具有重要的意义。最后，我们还展示了其在可穿戴以及三维集成器件上面的应用潜力，促进了新概念电子器件的出现。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2有机半导体微纳单晶材料

1.3有机微纳单晶场效应晶体管

1.4有机微纳单晶材料的阵列化与图案化组装及其场效应晶体管

1.5本论文的选题思路和主要内容

1.6 参考文献

第二章 蒽类有机半导体微纳单晶纳米线阵列的生长及其场效应晶体管的构筑

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

2.5参考文献

第三章 高度均匀、大面积有序的有机微纳单晶纳米线阵列的生长及其高迁移率场效应晶体管的构筑

3.1引言

3.2 实验部分

3.3结果与讨论

3.4总结

3.5参考文献

第四章 高集成度、图案化排布的有机微纳单晶阵列的生长及场效应晶体管的构筑

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

4.5参考文献

第五章 基于酞菁铜单晶纳米线阵列的柔性场效应晶体管的构筑及其性能研究

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章小结

5.5参考文献

第六章 基于酞菁铜单晶纳米线阵列的可穿戴场效应晶体管的制备及性能研究

6.1引言

6.2实验部分

6.3结果与讨论

6.4本章小结

6.5参考文献

第七章 总结

2. 高度均匀、大面积有序的有机微纳单晶纳米线阵列的生长，及其高迁移率场效应晶体管的构筑

4. 基于酞菁铜单晶纳米线阵列的柔性场效应晶体管的构筑及其性能研究

5. 基于酞菁铜单晶纳米线阵列的可穿戴场效应晶体管的制备及性能研究

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢