界面修饰对有机场效应管性能影响的研究

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以有机半导体材料作为有源层的有机场效应管(Organic Field Effect Transistor,OFET),因其具有独特优点,如低成本、低功耗、制备工艺简单、可与柔性衬底相兼容、大面积生产等,已广泛应用于射频卡、识别卡、各种传感器、平板显示器的有源驱动电路、环形振荡器以及有机电子纤维等领域。在OFET中,对于器件性能的提高途径除了选取合适的材料、结构以外,引用修饰层也是一种重要的方法,其中包括绝缘层/有机层界面的修饰和有机层/源漏电极界面的修饰。因此,研究修饰层的作用,对于提高OFET性能具有重要的意义。本论文首先对OFET近几十年来经历的不同发展阶段进行了综述,介绍了OFET的主要应用领域,并对OFET的发展趋势和存在的问题进行了总结。其次,总结分析了常用OFET器件的结构及其利弊,概括了制备OFET需要的各种基本材料,阐述了OFET的工作机理,载流子的注入和传输等相关理论。基于引入修饰层可以提高OFET性能,针对当前OFET的发展现状以及存在的问题,本论文将研究内容定位于制备不同界面修饰层的OFET器件,研究了各种不同修饰层对于器件性能的影响。具体的研究工作如下:(1)以无机SiO2作为OFET的绝缘层,有机材料聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate),PMMA)为SiO2修饰层,制备了基于并五苯的OFET,研究了PMMA修饰层的浓度对于器件性能的影响。与单栅绝缘层的器件相比,经过PMMA修饰的绝缘层器件优化了有机半导体和绝缘层界面间的接触,降低了栅极漏电流。其中,PMMA浓度为10mg/mL时,得到器件的性能最高。通过利用薄的有机聚合物材料修饰高介电系数的无机绝缘层获得了器件性能的提高。(2)采用8-羟基喹啉铝(Alq3)作为有源层的修饰层,制备了基于C60的OFET器件,研究了修饰层的厚度对于器件性能的影响。随着Alq3修饰层厚度的增加,器件的性能参数有所改进。器件在10nm厚的Alq3修饰层时,场效应的迁移率达到最大值,为1.28×10-2cm2/Vs,阈值电压下降至10V。分析了引入修饰层使器件性能提高的主要原因:一方面是阻止了金属原子扩散进入到C60有机层;而另一方面可能是源于Al/C60界面间的沟道电阻降低。(3)采用LiF、Alq3以及Alq3/LiF双层作为有源层的修饰层,制备了基于C60的OFET,研究了不同修饰层的器件对于场效应性能的影响。与未加修饰层的器件相比,经过修饰器件性能具有一定的提高,其中,以Alq3/LiF为双修饰层的器件的场效应的迁移率达到最大值,为1.6×10-2cm2/Vs。根据热动力学反应关系分析表明,Alq3/LiF之间的协同作用导致电极和有源层的接触势垒降低是器件性能提高的原因。
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