【摘 要】
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有机场效应晶体管是有机电子学的基本元器件之一,具有质量轻便、本征柔性、材料来源广、可溶液加工以及成本低等优势,在射频识别、驱动电路和传感器等领域具有重要的应用前景。由于有机场效应晶体管的化学或物理性质不稳定,其产业化进程十分缓慢。经过化学家的不断探索,已经可以合成化学结构非常稳定的有机半导体材料。但是,器件在长时间操作或保存过程中,其电学性质仍然易受环境因素(如水、氧气、光照等)或材料自身聚集态结
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有机场效应晶体管是有机电子学的基本元器件之一,具有质量轻便、本征柔性、材料来源广、可溶液加工以及成本低等优势,在射频识别、驱动电路和传感器等领域具有重要的应用前景。由于有机场效应晶体管的化学或物理性质不稳定,其产业化进程十分缓慢。经过化学家的不断探索,已经可以合成化学结构非常稳定的有机半导体材料。但是,器件在长时间操作或保存过程中,其电学性质仍然易受环境因素(如水、氧气、光照等)或材料自身聚集态结构变化的影响,稳定性难以满足实际应用的需求。有机场效应晶体管的电荷积累和输运过程都发生在界面处。要解决器件的稳定性问题,首先要研究清楚界面处的化学物理效应,进而提出针对性的解决方案。因此,本文从有机场效应晶体管的界面效应出发,揭示了器件内在失稳机制,并提出增强器件稳定性的策略。主要研究内容如下:(1)有机半导体层和介电层的界面应力与稳定性。为了改善有机半导体和介电层界面的相容性,通常需要在介电层表面修饰小分子自组装层。但在长期存放过程中,半导体的堆积有序度会发生严重的衰减,从而导致器件性能的大幅下降。在第三章,我们采用和频振动光谱技术来探测有机半导体层和介电层界面处的分子构象变化,发现自组装层的分子构象演变会产生界面应力,应力的形成与释放过程造成有机半导体分子堆积紊乱。通过减小自组装层的分子链长度可以有效提升器件的保存稳定性。该工作揭示了一种全新的有机半导体物理失稳机制,突破了领域内的传统认知(即半导体失稳来自化学成分衰变),为提升有机场效应晶体管的稳定性提供了新的探索思路。(2)有机半导体层的聚集态结构与稳定性。有机半导体层的聚集态稳定性严重影响着器件的存储稳定性。在第四章,我们发现有机半导体薄膜的厚度对其聚集态结构稳定性具有重要的影响。当半导体厚度达到一两百纳米时,其聚集态结构和电学性能的保存寿命可长达五年,远高于目前已报道的器件寿命。探究厚膜的稳定机制,我们发现厚膜能有效降低半导体层的自由能以及半导体/介电层界面的应力,减小去浸润现象的发生概率,从而得到稳定的聚集态结构。虽然厚膜提高了聚集态稳定性,但也增大了器件的接触电阻。有趣的是,我们发现金电极在长期保存过程中发生金纳米颗粒渗透,这些金纳米颗粒有效改善了半导体/电极界面的接触质量,同时也降低了电极和半导体接触的能垒。(3)有机场效应晶体管的光稳定性。有机场效应晶体管的重要应用场景包括显示器的驱动电路以及可穿戴设备中的传感单元,这些应用场景都要求有机场效应晶体管暴露在光照下工作。然而,大多数有机半导体都具有较强的光电响应特性,某些半导体材料在光照下甚至会失去开关功能。在第五章,我们提出了一种提高光生激子复合概率的方法,通过使用聚丙烯酸(poly(acrylic acid))作为介电层,可以有效降低晶体管的光电响应。在光照下,半导体中生成激子(即电子空穴对),聚丙烯酸分子链上的-COOH作为激子复合中心,使光生激子湮灭,无法分离出光生空穴参与沟道导电,从而实现了对光照稳定的有机场效应晶体管。
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