【摘 要】
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具有高理想性的有机场效应晶体管(OFET)是促进OFET实际应用的关键。然而,许多OFET都遭受着非理想行为的影响,呈现出栅压依赖的迁移率,阻碍了对其内在性能的准确分析。基于此,本论文以有机小分子为研究对象,从OFET界面的作用切入,针对OFET非理想性的来源与改善展开了如下研究:(1)空气环境对p型有机场效应晶体管理想性的“双刃剑”作用研究系统研究了有机半导体(OSC)/空气气氛界面对OFET理
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具有高理想性的有机场效应晶体管(OFET)是促进OFET实际应用的关键。然而,许多OFET都遭受着非理想行为的影响,呈现出栅压依赖的迁移率,阻碍了对其内在性能的准确分析。基于此,本论文以有机小分子为研究对象,从OFET界面的作用切入,针对OFET非理想性的来源与改善展开了如下研究:(1)空气环境对p型有机场效应晶体管理想性的“双刃剑”作用研究系统研究了有机半导体(OSC)/空气气氛界面对OFET理想性的影响。以基于2,8-二氟-5,11-双(三乙基甲硅烷基乙炔基)蒽噻吩(dif-TES ADT)的p型OFET为示例,本工作发现空气气氛中的水和氧气会对OFET的理想性产生一种“双刃剑”的作用。空气中的水和氧气分子能够渗透到电极接触区域,起有效的p型掺杂剂作用来填充缺陷态,并引起器件理想性随空气暴露时间的延长而改善。与此同时,迁移至沟道中的水和氧气还会俘获注入的少数载流子,对器件理想性产生负面效应。这种非理想行为可以在惰性或者真空环境下有效消除。基于对空气气氛“双刃剑”作用机制的深入理解,通过选择性地使用高功函的金属氧化物进行电极接触掺杂和控制器件的工作气氛的方法,可以普适性地实现接近理想行为的器件的制备。该工作不仅阐明了 OFET在空气气氛中一些常见的现象,也为实际应用中理想的OFET的构建打下了基础。(2)避免少数载流子注入提高p型有机场效应晶体管理想性的研究发展了一种简便而且高效的宽带隙OSC修饰方法,以实现基于窄带隙小分子的理想OFET的制备。通过在OSC/电极接触区域引入一层超薄的宽带隙OSC修饰层,可以在不影响空穴注入的基础上,有效避免窄带隙p型OFET中不期望的少数载流子注入。得益于此,OFET的“双斜率”行为以及少数载流子注入引起的偏压不稳定性都可以得到显著抑制。以基于dif-TES ADT的OFET为例,器件的非理想行为可以成功地转变为接近理想的行为。因此,宽带隙OSC修饰后的器件的平均可靠性(评估器件理想性的关键因素)可以从65.11%大幅提升至91.76%。与此同时,器件的偏压稳定性也得到明显提高。在不同的起始扫描栅压或正向偏置栅压下,器件的转移特性曲线几乎不会发生漂移。该方法具有很好的普适性,可以为理想的OFET的制备开辟新的途径。(3)基于薄层液晶小分子场效应晶体管的热损伤机制与改善研究系统研究了少层液晶小分子的热损伤机制,发展了一种牺牲层保护的方法以实现理想OFET的制备。以2,7-二癸基苯并噻吩并苯并噻吩类分子(C10-BTBT)为示例,结合电学表征与形貌表征,本工作发现基于少层液晶小分子晶体OFET较差的非理想行为主要源自OSC/电极接触区的热损伤。不同于之前的研究报道,此处器件性能的衰退并非源自低效的载流子注入,而是由受抑制的载流子横向传输所引起。由于其低温液晶特性,少层C10-BTBT晶体会在电极蒸镀过程中受热熔解。熔解的C10-BTBT会在冷却过程中收缩,引起有源层在电极接触边缘处的断裂,从而影响注入的载流子从电极下方材料向沟道层中的有效传输。通过在OSC/电极接触区引入一层超薄的牺牲层,下方的少层晶体可以得到有效保护,从而展现接近理想的器件性能。该工作为理解OFET的热损伤机制提供了新的思路,为理想少层器件的制备指明了方向。(4)单层晶体大面积图案化生长及其高理想性场效应晶体管制备研究发展了一种有机单层晶体的大面积图案化生长的方法,并实现了基于单层晶体的接近理想行为的OFET制备。以支链长度不同的同系物为分子源,通过限域法物理气相沉积(PVD)和绝缘层表面选择性的亲疏水处理,可以实现单层晶体的大面积图案化生长。通过在OSC/电极接触区引入一层牺牲层,可以有效地避免单层晶体所遭受的热损伤,实现基于单层晶体的接近理想行为OFET的制备。得益于此,制备的高理想器件所呈现的迁移率可以由未引入牺牲层前的0.06 cm2 V-1 s-1提升至接近1.37 cm2 V-1 s-1。该工作为有机单层晶体的生长与器件制备提供了新的途径。
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