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现代无机电子学的一个重要突破就是能带工程,许多新颖的功能性器件均是以其发展起来的,例如高电子迁移率晶体管(HEMT),正是利用能带工程构建电子阱势阱形成二维电子气,从而获得非常好的电子传输性能。而在有机半导体中,材料的载流子传输性能近年来得到了很大的提高,并且对于高结晶、高迁移率的材料,带传输模型更适合解释其中的载流子传输行为。因此可将能带工程引入到有机电子学中,并以此构建有机HEMT器件,从而进一步提高有机材料中的电子传输性能。本论文首先探究异质结器件中提升电子传输性能的重要因素,之后通过界面修饰及构建有机量子阱的方法,分别制备三角阱及方形阱有机HEMT器件,获得了非常优异的电子传输性能,为n型有机半导体的发展提供了新的方向。 首先选用了能级匹配的两种典型有机半导体小分子:宽禁带的p-6P和窄禁带的VOPc,分别作为构建有机HEMT的势垒层和势阱层,并且VOPc可在p-6P弱外延生长获得高结晶、高迁移率的薄膜。利用原位UPS测试了p-6PNOPc的界面能级结构,在界面处VOPc薄膜能带向下弯曲形成较浅的三角电子阱,并且p-6P薄膜厚度增加时,三角阱的阱深增加。更深的三角阱利于电子的累积及限制,因而随p-6P厚度增加,异质结器件的迁移率逐渐增加。但由于p-6P厚度较大时,薄膜粗糙度增加,界面缺陷增多,导致4 MLp-6P时异质结的器件性能不再增加。因此我们得出了构建HEMT需要满足的条件:电子深势阱及平整光滑的异质结界面。 量子阱HEMT是在HEMT之上发展起来的,它是将更窄带隙的材料引入到异质结中构建量子阱,从而可同时具有深电子势阱和光滑界面,并利用双重势垒的限制作用及分立能级上传输使器件具有更加优异的性能。因而我们制备了p-6P/VOPc/p-6P有机量子阱来构建方形阱有机量子阱HEMT。量子阱的光谱吸收峰出现了随阱宽的变窄而逐渐蓝移和半峰宽变窄的现象,其二极管的电流电压曲线也出现了明显的负电阻效应及随阱宽变窄负电阻峰值电压增大的现象,从而验证了构建的有机量子阱和阱中分立能级的存在。以此量子阱制备的方形阱有机HEMT具有更加的优异的电子传输性能,多次实验中其迁移率在9到12 cm2/Vs之间变化,相对于异质结器件提升了三倍多,基本为目前报道的最高数值。通过对器件性质及电容特性的探究,我们给出了器件的工作模型,电子在量子阱中第一分立化能级上的量子化传输,即有机二维电子气显著提高了器件的电子传输性能。并且受第一分立能级填充几率的影响,器件中电子主要累积在阱的中间位置,避免了界面散射,并具有较高的载流子面密度。势阱宽度可影响量子阱中分立能级的位置,因而对器件的阂值电压和迁移率均有影响。同时器件表现了带传输的性质:其迁移率随温度的减低而逐渐提高,并最终趋于稳定,因而器件在低温具有更大的应用优势。 另一个获得深电子阱和平整界面的方法,是引入了低功函的金属氧化物Al2O3做界面修饰层。超薄层的Al2O3使p-6P的功函减低到了3.6 eV,与VOPc薄膜形成了三角深势阱。同时又不影响有机薄膜的生长,在其上生长2 MLp-6P仍可获得大面积、连续的薄膜。因而通过界面修饰获得了同时具有三角深势阱和平整光滑界面的有机异质结,我们以此异质结制备了三角阱有机HEMT,器件表现出了非常优异的电子传输性能,电子迁移率达到了8.4 cm2/Vs,相对于异质结器件,其性能提升了两倍多。通过对平面二极管及不同Al2O3厚度的有机HEMT器件性能的测试,得出器件性能的提升源于三角深势阱的形成,并由此提出了器件的工作机制。改变器件中的修饰层、势垒层,其电子传输性能均有明显的提升,从而证明了以此方法提高载流子迁移率的简单有效性。