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有机薄膜场效应晶体管在廉价,大面积,柔性电路中具有非常光明的应用前景。和有机薄膜相比,有机晶体材料中分子排列高度有序,晶界和电荷陷阱密度小。因此,有机晶体材料被认为是揭示材料本征性能、构筑高性能有机电子器件的最佳选择之一。然而,有机晶体通常以微纳晶的形式存在。有机晶体的控制生长和器件应用,特别是二维片状有机单晶的制备以及有机晶体的选择性阵列化制备,都还是有机光电子学面临的挑战。针对这个关键问题,本论文在发展选择性原位反应组装方法的基础上,实现了红荧烯和噻吩类分子半导体微纳晶体的阵列化生长,制备得到了大面积(柔性)有机场效应器件;以并四苯和并五苯为模型化合物,在发展高温再沉淀结晶方法的基础上,研究了二维超薄片状单晶的控制生长,实现了高的载流子迁移率。主要研究工作包括以下几个方面:
1.发展了选择性原位反应组装方法,实现了有机微纳晶体在金属银电极表面的选择性阵列化制备。以红荧烯和噻吩类分子为模型化合物,利用SiO2/Si基底上预先阵列化的金属银电极,使金属银与阳离子自由基发生原位置换反应。由于还原反应生成的模型化合物分子富集在金属银电极表面,它们优先在电极表面原位组装、成核、生长,因此实现了纳米晶体的选择性阵列化制备。这些纳米晶体通过外延生长作用,从电极边缘扩散到沟道,最终填满整个沟道从而形成器件。XRD结果表明,纳米晶体薄膜在银电极上高度取向。其中,红荧烯纳晶属于三斜晶系,器件的迁移率达到0.02 cm2V-1s-1,开关比为103;噻吩类纳晶器件迁移率达到0.08cm2V-1s-1,开关比为103~104。
2.从预先阵列化金电极的SiO2/Si基底出发,利用OTS修饰非电极区域。通过氧等离子体刻蚀的方式将OTS端基羧基化,通过红荧烯和噻吩类模型化合物阳离子自由基与OTS端基羧酸负离子之间的静电吸附作用,实现了有机纳米晶体在非电极基底上的选择性生长。研究表明,原位反应组装方法简单易行,并且适用于多种不同基底,如二氧化硅、玻璃及柔性塑料基底。
3.发展了液相高温再沉淀结晶方法,制备出了并四苯、并五苯形貌规整的超薄二维片状单晶。高温情况下,并四苯、并五苯分子的溶解度增加,高的单体化学势提供了高的结晶驱动力,使得两个不同晶面的同时生长变得可能,从而形成了二维片状单晶。AFM结果表明二维片状单晶的厚度在数十纳米,边长可达几十微米。XRD和ED结果证明并四苯、并五苯分子在二维片状单晶中以垂直于基底的形式排列。二维片状单晶在机械强度上满足微操纵的要求,Tetracene单个器件的迁移率达到了1.08 cm2/vs。