基于溶液方法的有机场效应晶体管研究

【摘要】和无机晶体管相比,有机场效应晶体管(OrganicField-effectTransistors,OFETs)的载流子迁移率相对较低,稳定性较差,大面积图案化比较难。如何提高OFETs的性能一直是人们面对的一大难题,电极材料、电介质和半导体层之间的界面性质等是影响OFETs性能的重要方面。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为常用的电介质材料,其表面性质影响着半导体层的界面状态及半导体／电介质界面之间的状态,因此,为了获得高性能的OFETs,我们需要对器件的这些方面进行系统的研究,分析OFETs中电子传输机制,并找出提高器件性能的方法。本文主要通过溶液法制备OFETs器件,讨论不同金属电极、电介质不同处理方法对器件性能的影响机理,并利用UV/Ozone制备了高性能的OFETs.在种类繁多的有机半导体材料中,聚3-己基噻吩(P3HT)由于其成膜性较好、易溶于有机溶剂且应用于器件时空穴传输性较好,而广泛的用于OFETs的半导体层。但是P3HT对于空气中的水分及氧气比较敏感,并且对环境要求较高,因此,如何在大气环境中获得高性能的有机场效应性一直是人们面临的问题。本研究中,首先通过溶液法制备了有机场效应晶体管,选用P3HT作为半导体层,PMMA作为电介质层对OFETs进行系统的研究,主要从下面三个方面进行研究：(1)探究不同金属电极对有机场效应晶体管性能的影响。我们利用不同金属电极在相同条件下制备了不同OFETs样品,这里的金属电极包括Au、Cr和Cr/Au复合电极。比较了不同OFETs样品的电学性能,并讨论了不同金属电极对器件性能的影响。由于Au的功函数和P3HT的功函数较接近,选用Au作为器件的电极材料时,半导体层和源漏极之间的接触电阻较小载流子注入半导体层时的势垒小,所以选用Au作为电极时器件能够获得较好的电学性能(迁移率,H=0.0090cm2/Vs);当选用相同的栅极电压和漏极电压时,用Au作为电极的器件表现出了较大的电流。(2)PMMA层不同热处理温度对有机场效应晶体管性能的影响PMMA的处理工艺对器件的性能有重要影响,我们在前面研究基础上选用Au电极利用溶液法制备了OFETs,比较了不同热处理温度下器件的性能,并讨论了器件性能随PMMA层处理温度变化的规律。通过不同热处理温度我们制备了性能较高的场效应晶体管,比较不同热处理下器件的性能发现,120℃下器件的迁移率和开关比最好,但是器件均具有较大的阈值电压。120℃下OFETs半导体层表面表现出了明显的非晶状态,非晶状态的形成减少了半导体层表面的晶界,从而方便了载流子的传输,提高了OFETs的迁移率和电流开关比。OFETs的漏电流较大,造成了OFETs关态电流较大。(3)利用UV/Ozone方法制备高性能有机场效应晶体管随着当今时代人们对于电子器件轻小便携的要求,柔性可折叠器件成为人们研究的重点。为了满足柔性器件的要求,需要寻找一种低温、简单的器件制备方法。UV/Ozone常被用作有机材料的辅助处理手段来提高器件的性能,在实验中我们选取UV/Ozone作为PMMA的处理方法制备OFETs器件,并和PMMA层在150℃下制备的器件性能进行了对比,发现利用UV/Ozone制备的器件性能和150℃条件下制备的器件性能相当,都具有较大的迁移率(μ=0.012cm2/Vs)和开关电流比(Ion/Ioff=1.2×103)利用UV/Ozone处理PMMA层后使得P3HT主要表现出非晶态,表面晶界较少,有利于载流子的传输,因此,器件的电流较大。但是由于器件的漏电流和表面陷阱密度较大,使器件的关态电流比150℃处理的器件大的多。研究结果表明UV/Ozone处理有机层有望成为未来制备柔性器件的有效方法。
【作者】张蕊蕊；
【导师】林仕伟；
【作者基本信息】海南大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】OFETs；不同电极；热处理温度；UV/Ozone；低温；柔性电子；

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