弱外延生长红荧烯薄膜

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有机半导体材料由于具有分子结构多样性,丰富的物理、化学性质,并且容易实现功能的多样化,与生物亲和性好,可实现柔性器件的制备,易于大面积加工,成本低廉等优势特性,使其成为制备下一代电子器件的有力竞争材料体系。近几十年来,随着研究的不断深入,有机半导体材料发展迅速,以其为有源材料制备的器件性能得到了大幅度提高。尤其是在晶体管器件方面,已经超越了非晶硅的水平,具有广阔的应用前景。在有机半导体材料中,红荧烯是具有较高晶体管器件性能的一种小分子材料,单晶晶体管迁移率最优可达到40 cm2/Vs,但其薄膜晶体管器件性能却与之存在很大的差距,原因在于其在结晶薄膜的制备上存在困难,红荧烯容易在基底上形成非晶薄膜,进而限制了其薄膜晶体管器件的发展。因此如何制备出高有序的红荧烯结晶薄膜成为了研究热点,同时对于红荧烯结晶薄膜的成核机理还尚不清楚。因此,开展对于高有序红荧烯结晶薄膜成核规律以及特性的研究具有重要的意义,为制备高质量的红荧烯结晶薄膜提供了一定的理论基础。  本论文通过弱外延生长的方法,采用新的弯曲型诱导层材料1,3-二(三联苯基)苯(间七联苯,m-7P)来制备红荧烯薄膜。在单层间七联苯诱导层上红荧烯就可以形成连续的结晶薄膜,并且薄膜结构属于正交晶系,π-π堆积方向恰好在平行于基底的平面内,利于载流子在平面内的传输。红荧烯在单一间七联苯晶畴上呈现出了单一取向的结构,说明在此诱导层单一晶畴上形成了近似于单晶的红荧烯薄膜。这种结构的产生与间七联苯诱导层的结构参数以及表面的对称性有关。  可见,在间七联苯诱导层单层薄膜上即可制备出高有序的红荧烯结晶薄膜。以此为基础制备的红荧烯薄膜晶体管的器件性能较好,最优迁移率达到8.8cm2/Vs。引入VOPc为缓冲层后,晶体管器件性能进一步提高其迁移率达到11 cm2/Vs以上。是多晶红荧烯薄膜晶体管能够达到的较高的数值。  同时深入的探讨了红荧烯结晶成核的特性以及规律。在六联苯诱导层,红荧烯分子体现出了异相成核的特性。而在间七联苯诱导层上则为异相成核与均相成核共存,均相成核形成的为单层结晶晶核,异相成核形成的为双层结晶晶核,并且在同一间七联苯晶畴上形成的结晶晶核也都体现出了单一取向的结构特征。在单层间七联苯诱导层薄膜上,红荧烯结晶成核经历了复杂的过程。这个过程由热力学因素和动力学因素共同作用。首先红荧烯分子沉积到诱导层表面,在表面进行扩散运动与其它红荧烯分子进行碰撞聚集形成非晶的团状岛,而后当非晶团状岛的体积聚集达到临界值时就开始向结晶晶核转变。这种由非晶向结晶转变的成核模型,在其它基底上制备的红荧烯结晶薄膜形貌中也有所体现,所以这种成核模型并不是特例,而是具有一定的普适性的,是红荧烯形成结晶薄膜的一个基础模型。在间七联苯诱导层上红荧烯分子经历了有非晶向单晶转换的过程,形成了近单晶的高质量红荧烯薄膜。
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