基于酞菁半导体和超薄绝缘层的高性能有机场效应晶体管的研究

来源 :中国科学院化学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong580
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有机场效应晶体管在低价、大面积、柔性电路中具有非常光明的应用前景,因而备受人们关注。自有机场效应晶体管问世以来,开发高性能稳定的半导体材料一直是有机场效应晶体管领域研究的热点与难点之一。酞菁化合物具有非常优异的稳定性和光电性能,业已成为现代社会不可或缺的一种有机功能材料。如果能在酞菁化合物中找寻到具有π-π堆积结构的化合物,加之其本身优异的稳定性,则有可能获得高性能稳定的场效应材料,进而推动场效应领域的发展。   低操作电压是实现有机场效应晶体管实用化的重要条件,高绝缘层电容一般可实现低电压操作,降低绝缘层厚度能够有效增加绝缘层电容。有机聚合物绝缘层与有机半导体之间的相容性比较好,因此如果能制备出超薄(纳米)有机聚合物绝缘层,则有可能获得低操作电压高性能有机场效应晶体管。   研究器件结构与性质之间的关系也是有机场效应晶体管领域一个重要的课题,因为将这一问题阐释清楚不仅有利于理解场效应器件的工作机制,而且可以为进一步优化器件结构、提高器件性能提供理论指导。   本论文针对以上问题,在有机半导体材料、有机绝缘层材料、器件结构与性质之间关系等方面做了如下工作:   1、基于酞菁氧钛、酞菁氧钒制备了高性能稳定的场效应晶体管,酞菁氧钛的最高迁移率接近10 cm2V-1s-1,开关比为106-108,酞菁氧钒的最高迁移率接近1cm2V-1s-1,开关比为106-108。我们从晶体堆积结构角度解析了α相酞菁氧钛和酞菁氧钒具有高场效应性能的原因,即它们都具有超紧密π-π堆积结构,其相邻分子间具有非常大的π轨道重叠和非常短的分子间距离,这些特点使其具有很好的电荷传输能力。   2、以酞菁氧钒器件为例,阐释了绝缘层表面性质与器件性能之间的关系。从分子取向分布和界面相容性两个角度解析了酞菁氧钒在OTS基底上具有高场效应性能的原因,我们发现:酞菁氧钒在OTS基底上形成的是高度取向的薄膜,而在SiO2基底上形成的是无规取向的薄膜;酞菁氧钒与OTS具有更好的界面相容性。这两点解释了OTS修饰能够提高器件性能的原因。   3、基于表面引发的原子转移自由基聚合技术在SiO2(~10 nm)表面制备了线性和交联的PMMA层(~10 nm),进而形成无机/有机双层聚合物纳米绝缘层,即SiO2/PMMA纳米绝缘层。这两种双层纳米绝缘层具有非常好的绝缘层品质,包括低漏电密度、高击穿电场、高电容、好的操作和热稳定性、好的耐溶剂能力和普适性。基于这两种双层纳米绝缘层制备的一系列场效应器件都表现出低操作电压和高迁移率。   4、以酞菁铜和四氰基对苯二醌二甲烷分别为p型和n型半导体材料构筑了空气稳定的双极性场效应晶体管。
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