高分子RR-P3HT有机场效应晶体管有源层自组织及其性能提升机制的研究

摘要

共轭高分子具有机械性能好,热稳定性高,可溶性好,液相成膜简单,制备成本低,适合于制备大面积柔性器件等优点,高分子有机场效应晶体管(OFET)及其应用被认为是未来有机微电子学的发展方向及有机电子商业研究的热点。为了突破高分子OFET场效应迁移率低及载流子传输机制匮乏两个重大难题,本论文深入研究了以高度区域规则的聚(3-己基噻吩)(RR-P3HT)为代表的有机高分子半导体层本身微观自组织理论和机理这一前沿课题,从根本上发掘有机高分子半导体载流子传输机制及利用其来指导高性能高分子OFET的设计及制备。本论文具体研究工作及成果如下:
　　 首先,工作中采用同步辐射掠入射X射线衍射技术,研究了高分子OFET中以RR-P3HT为半导体层的结晶行为及微观结构组织变化,及其引起的高分子半导体电荷传输机制,并且由此推导高分子自组织机制与迁移率的关联性。
　　 研究发现,采用自组装单分子层(SAMs)技术进行界面修饰,可以完善绝缘层与RR-P3HT半导体层之间的界面效果。SAMs的形成改善了界面,可以有效地控制上层RR-P3HT半导体层的结晶性及微观结构,使较多的噻吩环面垂直于衬底、得到π-π堆积方向平行于衬底的二维微晶粒薄片结构,这种微观结构有效地形成了二维共轭电荷传输通道,完善了在RR-P3HT工作层生长过程中的自组织机制;热退火改善了RR-P3HT薄膜生长过程中的自组织过程;并且对于RR-P3HT半导体工作层来说,慢速生长过程比快速生长过程更有利于有效的二维共轭微晶粒薄片生长,更能完善RR-P3HT工作层生长过程中的自组织机制。
　　 其次,利用有效的物理及化学手段进一步调控了RR-P3HT自组织机制,用来提高以RR-P3HT为半导体层的高分子OFET的器件性能,尤其是场效应迁移率。
　　 (一)利用界面修饰效应完善自组织机制,来提高高分子OFET器件性能的研究。采用六甲基二硅胺烷HMDS修饰了高分子OFET绝缘层与半导体层之间的界面,提高了高分子OFET的器件性能,并对其性能改善机制进行了深入地研究。由于SAMs修饰的化学过程及其引起的表面物理性能的有效变化,促进了RR-P3HT自组织过程中理想微晶粒薄片的形成及较佳分子的取向排列,最终有利于RR-P3HT OFET器件性能的提升。另外,对修饰作用下的高分子OFET中RR-P3HT的薄膜形态与电荷传输性能关系进行了细致地研究。从薄膜表面形貌变化及结晶两个方面充分地证实了不同液相制膜方法及滴膜法制备非均匀性的高分子OFET的电荷传输性能。工作中对快慢速生长的RR-P3HT薄膜的不同形貌及结晶情况进行了比较,验证了慢速生长的滴膜法制备的RR-P3HT薄膜中“纤维状”薄膜形貌较快速生长的旋涂法制备的“蠕虫状”形貌更有利于载流子的传输。
　　 (二)进行了利用热退火效应与静置作用完善自组织机制,来提高高分子OFET器件性能的研究。研究发现,真空静置及热退火后处理对高分子RR-P3HT工作层的微晶粒结构与分子排列取向,表面形貌及电荷载流子迁移率的影响很大。快慢速生长液相制膜方式得到的实验结果比较一致。研究认为合适的退火处理(150℃热退火)及长时间的真空静置,将有利于高分子自组织过程中理想微晶粒结构的形成,高分子分子的连接及取向,结果导致器件迁移率的提升。
　　 (三)利用改善低温溶液处理完善自组织机制,来提高高分子OFET器件性能的研究。在低温下完善溶液性质,利用优化浓度与非溶剂掺杂完善自组织机制,来得到质量良好的高分子RR-P3HT半导体薄膜,从而改善高分子OFET器件性能。研究发现,随着RR-P3HT在氯仿溶剂中重量百分比的增加,形成了更多理想结构的微晶粒薄片及更大的纳米岛状物,其高分子RR-P3HT OFET的性能得到了较大地提升。基于表面形貌及电学性能的测试结果,我们认为载流子迁移率与有机工作层的表面形貌及薄膜厚度有着密切的关联性。并且发现一定范围内,高分子(RR-P3HT)与小分子(并五苯)OFET中表面形貌及载流子迁移率的厚度依赖性存在明显区别。另外,用乙醇及乙腈非溶剂进行适量的掺杂,将完善高分子自组织机制,导致高分子OFET电学性能的提升。
　　 本论文中共有图92幅,参考文献169篇。

目录

文摘

英文文摘

致谢

序

第一章 绪论

1.1 有机电子学的开启

1.2 有机场效应晶体管(OFET)的发展及应用

1.2.1 有机场效应晶体管的发展

1.2.2 有机场效应晶体管的应用

1.3 有机场效应晶体管的基本原理

1.3.1 有机场效应晶体管的工作原理

1.3.2 有机场效应晶体管电学性能的模型

1.3.3 有机场效应晶体管的器件性能参数

1.3.4 有机半导体的电荷传输机制

1.4 有机场效应晶体管的材料

1.4.1 有机场效应晶体管的有机半导体材料

1.4.2 有机场效应晶体管的绝缘层材料

1.4.3 有机场效应晶体管的电极材料

1.5 高分子有机场效应晶体管的研究

1.5.1 高分子有机场效应晶体管研究的提出

1.5.2 高分子有机场效应晶体管物理学的焦点

1.5.3 高分子场效应晶体管目前存在的问题

1.6 本论文的主要研究内容

第二章 RR-P3HT OFET中高分子半导体薄膜结晶行为及微观结构变化的研究

2.1 引言

2.2 高分子OFET中高分子半导体薄膜自组织与自组装机制的界定

2.3 同步辐射掠入射x射线衍射(GIXRD)技术的基本原理与实验装置及流程

2.3.1 GIXRD测量的基本原理

2.3.2 同步辐射GIXRD研究实验装置及流程

2.4 利用同步辐射GIXRD技术探讨RR-P3HT微观结构及电荷传输机制的研究

2.4.1 材料体系的选择

2.4.2 器件的制备及测试

2.4.3 结果与分析

2.5 本章小结

第三章 界面修饰效应提升RR-P3HT OFET器件性能的研究

3.1 引言

3.2 界面修饰调控自组织机制及其对RR-P3HT OFET器件性能的影响

3.2.1 器件的制备及测试

3.2.2 结果与分析

3.3 经界面修饰的RR-P3HT OFET中薄膜形态与电荷传输性能关系的研究

3.3.1 器件的制备及测试

3.3.2 结果与分析

3.4 本章小结

第四章 热退火效应及真空静置作用提升RR-P3HT OFET器件性能的研究

4.1 引言

4.2 热退火及真空静置对快速生长的RR-P3HT OFET器件性能的影响

4.2.1 器件的制备及测试

4.2.2 结果与分析

4.3 热退火对慢速生长的RR-P3HT OFET器件性能的影响

4.3.1 器件的制备及测试

4.3.2 结果与分析

4.4 本章小结

第五章 改善低温溶液处理提升RR-P3HT OFET器件性能的研究

5.1 引言

5.2 高分子溶液浓度对RR-P3HT OFET器件性能的影响

5.2.1 器件的制备与测试

5.2.2 结果与分析

5.3 高分子与小分子OFET中表面形貌及载流子迁移率的厚度依赖性区别研究

5.3.1 器件的制备与测试

5.3.2 结果与分析

5.4 非溶剂掺杂完善自组织机制提升RR-P3HT OFET器件性能的研究

5.4.1 器件的制备与测试

5.4.2 结果与分析

5.5 本章小结

第六章 结论

参考文献

附录A

作者简历

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