浸渍提拉法制备垂直相分离结构薄膜及其晶体管性能

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:rilinx_2009
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有机场效应晶体管(OFETs)在柔性逻辑电路、传感器、非易失性存储器等方面具有巨大的潜在应用潜力。而提升器件性能很大程度上取决于有机薄膜的结构和形貌。溶液共混制备垂直相分离结构薄膜的方法可以产生高质量的结晶半导体层和本征的半导体层/介电层界面,因此,制备的晶体管不仅载流子迁移率高,还具有良好的均匀性和稳定性,环境和机械稳定性,为商业化低成本和大面积制造提供了有希望的途径。浸渍提拉法是一种能够制备单一取向性的多晶薄膜,从而能够大幅度提高器件性能。本论文工作以半导体小分子2,6-Bis(4-octylphenyl)-dithieno[3,2-b:2’,3’-d]thiophene(DTT-8)和2,6-Bis(4-dodecylphenyl)-dithieno[3,2-b:2’,3’-d]thiophene(DTT-12)作为研究对象,通过与poly(methyl methacrylate)(PMMA)混合,采用浸渍提拉法制备高取向性大面积连续的垂直相分离结构薄膜。论文主体从薄膜形貌演变规律,器件性能对薄膜形貌的依赖及在不同体系中的适用性等方面进行了研究与讨论。第一部分,首先研究了溶液浓度,小分子和聚合物比例,提拉速度对薄膜形貌演变规律,并给出了相应的解释。聚合物的添加会使较低浓度的DTT-8结晶条带的宽度增加,有序性变好,其中DTT-8:PMMA=1:2(DTT-8=2mg/ml)时的结晶条带连续性最好,形成的薄膜形貌质量最优。PMMA比DTT-8更容易在基板表面固化,并在基材上形成连续层。固化的底层PMMA降低了少数成核位点的成核势垒高度并通过抑制自发成核的随机产生,诱导了DTT-8的大规模生长,由于PMMA的掺入,在三相接触线附近产生粘度梯度,粘度的增加使更多的DTT-8从溶液流向三相接触线进行大规模自组装沉积,但是更高的聚合物比例则阻碍了小分子垂直方向上的迁移,导致形貌变差,溶质质量传输不足抑制了DTT-8晶体的生长。通过使用更高浓度的小分子与聚合物共混,在DTT-8:PMMA=1:3(DTT-8=5mg/ml)的浓度比例3mm/min的提拉速度下,成功制备出大面积连续的取向薄膜。提拉速度的变化会改变薄膜的生长方式,只有当提拉速度处于弯月面模式与夹带模式之间的过渡模式时所得薄膜形貌最优,粘度力与毛细管力达到平衡,溶质质量输运和晶体生长达到平衡,最终得到所需薄膜。第二部分,对有机场效应晶体管性能与薄膜形貌之间的关系进行了研究。薄膜形貌与结晶厚度显著影响器件的性能,聚合物的浓度比例越大,形成的DTT-8结晶层覆盖度越大,厚度越大,沟道中参与输运的载流子数量越多,器件迁移率增加,但是过大的聚合物浓度将导致结晶薄膜中的缺陷增加,最终导致器件迁移率、均匀性和稳定性变差。在优化的聚合物比例和提拉速度下,DTT-8:PMMA=1:3(DTT-8=5mg/ml)浓度条件下器件性能最优,器件具有0.30 cm~2/(V·s)的迁移率,是单组份器件的4~5倍且具有更小的阈值电压,更好的电学稳定性与环境稳定性。第三部分,使用DTT-12/PMMA的共混溶液进行提拉发现,优化条件后制备的DTT-12结晶薄膜同样具有大面积,有序,均匀的特点。制备的器件性能良好,迁移率为0.34 cm~2/(V·s),阈值电压小于-5 V。由于小分子半导体的自组装能力不同,需要对每种特殊小分子的浸涂速度和聚合物添加比例进行精心优化。综上所述,我们采用浸渍提拉法制备了DTT-8和DTT-12高迁移率小分子的垂直相分离结构薄膜晶体管,并探讨了不同溶液浓度、组份比例和提拉速度等因素对薄膜形貌的影响。我们通过实验条件的优化获得了高取向性,均匀性大面积连续薄膜,它们的有机场效应晶体管表现出较高的迁移率,良好的均匀性,电学稳定性和环境稳定性。
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