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近几十年来,有机半导体材料作为新一代的信息功能材料正以其光电性能优异、生产成本低廉、加工工艺简单、选材范围宽广、机械性能柔软等显著优点,吸引世界范围内的目光,成为越来越多研究机构竞相研究和开发的对象,被广泛应用于发光二极管、薄膜晶体管、太阳能电池、存储器等光电子器件中。
要真正实现有机发光的大面积柔性显示,有机薄膜晶体管必须具有与柔性衬底良好的相容性。除了比较好的性能,低成本和简单的加工工艺也是有机电子产业化的不可或缺因素。尽管有机薄膜晶体管的性能取得了突破性的进展,但大部分器件采用单晶硅做衬底,成本昂贵。另外,有源层与绝缘层的制备方法不同也使得器件加工工艺复杂。
本论文采用玻璃衬底制作了项栅结构有机薄膜晶体管,并研究了可以蒸镀的不同氟化物绝缘层材料对器件电特性的影响。制备的有机薄膜晶体管显示了较好的性能,并且由于全部制作过程是在真空室内一次性完成的,大大简化了制备工艺程序,也减少了因制备环境变化而有可能引起的杂质沾污问题。在此基础上,研究了其在有机发光驱动中的应用。
(1)在玻璃衬底上以真空蒸镀工艺制备了用薄膜酞菁铜为有源层,以氟化物(氟化钙、氟化钡和氟化锶)为绝缘层的项栅结构有机薄膜场效应晶体管。栅电压VG对源/漏电流IDS具有明显的调制作用,得到的酞菁铜迁移率为10-3~10-1cm2/VS,并表现了明显的栅电压依赖性。也观察到了明显的漏电极电子注入现象,认为这种电子注入现象是和ITO和有机半导体之间的接触特性有关。
为了解决氟化物栅绝缘层器件的漏电流问题,用有机尼龙对氟化物绝缘层进行了界面修饰,修饰后的器件漏电流有了2个数量级的改善,解决了栅漏电流对有机发光二极管性能的损坏问题。实验也表明,五氧化二矾修饰源漏电极后,有机晶体管的电特性有得到了明显改善,为有机发光二极管的驱动奠定了基础。
(2)绝缘层不但影响有缘层薄膜的物理结构,而且还会通过极化作用导致有机半导体材料的电子结构发生改变,从而影响器件的性能。利用顶栅结构的优点研究了绝缘层极化作用对器件电特性的影响,用绝缘层引起的有机半导体薄膜的能量无序性解释了不同介电常数绝缘层产生的迁移率的差别,认为高介电常数CaF2绝缘层引起的传输体系的能量无序性较大,即导致体系的态密度变得更宽,这样平衡载流子跳跃传输过程中的平均势垒增大,导致CaF2在低的电压下迁移率低于Nylon/Teflon器件。
(3)设计了可以采用光刻方法一次性制备晶体管源、漏电极和发光二极管阳极的结构,并用全蒸镀方式制备了有机薄膜晶体管-有机发光二极管集成像素。这种采用光刻方法一次性制备制得电极的结构以及全蒸镀制备的工艺,相对于已报道的采用底栅结构有机薄膜晶体管驱动机发光二极管的集成像素,具有结构更为简单,工艺更加简化,具有重要的实用价值。