有機(jī)半導(dǎo)體高分子聚合物由于具有溶液可加工性、加工成本低和可彎曲等優(yōu)點(diǎn)而在柔性電子器件上具有巨大的應(yīng)用前景�，F(xiàn)有的有機(jī)半導(dǎo)體器件主要包括場效應(yīng)晶體管、光伏電池和發(fā)光二極管等,這些器件的性能很大程度上取決于材料的電荷傳輸效率。盡管近幾年來,有機(jī)半導(dǎo)體高分子聚合物的遷移率有了顯著的提高,但是材料的微觀結(jié)構(gòu)與材料的電荷輸運(yùn)性質(zhì)之間的關(guān)系仍然沒有得到充分的理解。半晶有機(jī)半導(dǎo)體高分子聚合物P3HT和PBTTT由于具有高的結(jié)晶性和更有利于電荷輸運(yùn)的邊堆疊的分子排布方式,因此在高載流子濃度下(~10~211 cm~(-3))它們能夠擁有超過1 cm~2V~(-1)s~(-1)的遷移率。然而不同于P3HT和PBTTT,indacenodithiophene-co-benzothiadiazole(IDTBT)盡管結(jié)晶性較差,但因?yàn)椴牧暇哂械偷哪芰繜o序度,因此以Cytop為絕緣層的IDTBT晶體管器件能在低載流子濃度下(~10~111 cm~(-2))實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.2cm~2V~(-1)s~(-1)的遷移率。在這樣低的載流子濃度下,即使是P3HT和PBTTT也難以實(shí)現(xiàn)如此高的遷移率。通過對IDTBT電輸運(yùn)性質(zhì)的研究能為理解有機(jī)半導(dǎo)體高分子聚合物中高遷移率的起源提供新的視角。本論文首次利用真空(ε=1)作為IDTBT場效應(yīng)晶體管的絕緣層,對IDTBT的本征電輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了研究。以真空為絕緣層的IDTBT場效應(yīng)晶體管,其遷移率高達(dá)0.9cm~2V~(-1)s~(-1)。如此高的遷移率還未在其它以真空為絕緣層的有機(jī)半導(dǎo)體高分子聚合物的晶體管器件中被報道過。同時,本論文還利用以Cytop和P(VDF-TrFE-CFE)為絕緣層的IDTBT晶體管器件,研究了場效應(yīng)調(diào)控的載流子濃度和不同絕緣層的介電常數(shù)對IDTBT場效應(yīng)晶體管的遷移率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電場調(diào)控的載流子濃度以及由極化絕緣層在半導(dǎo)體界面引起的偶極子無序都對IDTBT場效應(yīng)晶體管的遷移率起了重要的決定作用。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ317;TN386
【部分圖文】：

圖 1 2 有機(jī)小分子單晶和高分子聚合物結(jié)構(gòu)的比較，修改自文獻(xiàn) [20, 21].有機(jī)小分子半導(dǎo)體，尤其是有機(jī)小分子單晶，擁有高度有序的分子排列結(jié)構(gòu)，因此材料擁有極少的陷阱態(tài)（trap state）以及晶界。由圖1 2中可以看出有機(jī)小分子的結(jié)構(gòu)高度有序，材料中分子之間 軌道重疊程度大使得載流子能夠在分子之間實(shí)現(xiàn)高效的傳輸，使得有機(jī)小分子能夠擁有較高的遷移率[20, 22]。而與有機(jī)小分子相比較而言，有機(jī)高分子聚合物薄膜的微觀結(jié)構(gòu)要更為復(fù)雜。有機(jī)高分子聚合物薄膜里通常是有序結(jié)構(gòu)與無序結(jié)構(gòu)共存的[23]。從圖1 2中可見，聚合物長鏈容易彎曲、折疊、扭曲并且和其它的分子鏈打結(jié)在一起。因此，有機(jī)高分子聚合物的微觀結(jié)構(gòu)與有機(jī)小分子相比要更為無序。1.3 共軛聚合物導(dǎo)電機(jī)制1.3.1 碳原子的2z雜化有機(jī)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性源于材料中碳原子2z的雜化方式，即圖1 3(a) 所示。碳原子的三個外層價電子會與周圍原子形成三個 鍵，使得每個碳原子剩下一個未成鍵的電子

圖 1 2 有機(jī)小分子單晶和高分子聚合物結(jié)構(gòu)的比較，修改自文獻(xiàn) [20, 21].有機(jī)小分子半導(dǎo)體，尤其是有機(jī)小分子單晶，擁有高度有序的分子排列結(jié)構(gòu)，因此材料擁有極少的陷阱態(tài)（trap state）以及晶界。由圖1 2中可以看出有機(jī)小分子的結(jié)構(gòu)高度有序，材料中分子之間 軌道重疊程度大使得載流子能夠在分子之間實(shí)現(xiàn)高效的傳輸，使得有機(jī)小分子能夠擁有較高的遷移率[20, 22]。而與有機(jī)小分子相比較而言，有機(jī)高分子聚合物薄膜的微觀結(jié)構(gòu)要更為復(fù)雜。有機(jī)高分子聚合物薄膜里通常是有序結(jié)構(gòu)與無序結(jié)構(gòu)共存的[23]。從圖1 2中可見，聚合物長鏈容易彎曲、折疊、扭曲并且和其它的分子鏈打結(jié)在一起。因此，有機(jī)高分子聚合物的微觀結(jié)構(gòu)與有機(jī)小分子相比要更為無序。1.3 共軛聚合物導(dǎo)電機(jī)制1.3.1 碳原子的2z雜化有機(jī)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性源于材料中碳原子2z的雜化方式，即圖1 3(a) 所示。碳原子的三個外層價電子會與周圍原子形成三個 鍵，使得每個碳原子剩下一個未成鍵的電子

的晶格發(fā)生形變，使其晶格常數(shù)變?yōu)樵瓉淼囊话耄⑶以诘蜏叵掳l(fā)生金屬——絕緣體轉(zhuǎn)變。圖1 4(a) 所示為未發(fā)生形變的一維單原子鏈，晶格常數(shù)為 。每個原子帶有一個未成對的外層價電子，此時系統(tǒng)的費(fèi)米波矢f位于布里淵區(qū)中間位置，布里淵區(qū)的邊界為f。體系總的能量為費(fèi)米能級以下所有電子能量的總和。然而，一維材料體系的晶格不穩(wěn)定，易發(fā)生形變。如圖1 4(b) 所示，形變使得原子與它鄰近的兩個原子的距離發(fā)生改變一個 的形變量，則它與臨近兩個原子的距離的分別變?yōu)?和 。形變改變了材料原來的晶格常數(shù)

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本文編號：2810042