發(fā)布時(shí)間：2020-09-30 12:34

　　 近年來,有機(jī)半導(dǎo)體因其在場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管等方面的應(yīng)用而備受關(guān)注。雖然基于此類材料的器件性能在不斷提高,可是目前有機(jī)半導(dǎo)體無論在載流子遷移率,還是空氣穩(wěn)定性方面,都遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體。為了真正實(shí)現(xiàn)有機(jī)材料在電子設(shè)備中的應(yīng)用,充分發(fā)揮其耐彎折、質(zhì)輕等自身優(yōu)勢,提高有機(jī)材料本身的導(dǎo)電性能,完善器件的制作工藝十分關(guān)鍵。本文通過量子化學(xué)計(jì)算,使用密度泛函理論(DFT)方法,對具有代表性的兩種(n型和p型)有機(jī)半導(dǎo)體基元的傳輸性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。不同于早前已報(bào)道的理論工作,本文系統(tǒng)地研究了器件環(huán)境下電場對有機(jī)半導(dǎo)體電荷轉(zhuǎn)移以及空氣穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)不同方向的外部電場可以有效地調(diào)節(jié)分子的空穴或電子重組能,從而改變材料整體的電荷傳輸效率。對于空穴傳輸型材料—寡聚四噻吩,當(dāng)外部電場F_x由0 V/?升高到1 V/?時(shí),空穴重組能從552 meV降至125 meV;而當(dāng)F_z從0 V/?增加到0.5 V/?時(shí),空穴重組能提高了48%。另外,針對電子傳輸型材料在空氣中容易氧化失效,本文在分子水平上探討了該類材料在空氣中的退化機(jī)制,發(fā)現(xiàn)外部電場在該過程當(dāng)中視施加方向可以起到促進(jìn)或抑制的作用。對于傒酰亞胺體系,當(dāng)外部電場為0 V/?時(shí),O_3(O_2)在分子B2位點(diǎn)處的反應(yīng)能壘為10.3(26.5)kcal/mol;當(dāng)F_(-z)=0.75 V/?時(shí),反應(yīng)能壘升高到17.7(37.7)kcal/mol,表明該方向電場可抑制氧化反應(yīng);而當(dāng)F_(+z)=0.75 V/?時(shí),反應(yīng)能壘降低至4.4(16.9)kcal/mol,表明強(qiáng)F_(+z)下傒酰亞胺容易被環(huán)境氧氧化進(jìn)而導(dǎo)致材料性能失效。外部電場是一把雙刃劍,充分利用外部電場給材料本身帶來的性能優(yōu)勢的前提是分子堆疊方式與器件中電極安放位置(決定電場方向)要匹配,從而有利于電荷遷移和抗氧化。希望上述研究發(fā)現(xiàn)可以啟發(fā)實(shí)驗(yàn)科學(xué)家設(shè)計(jì)并改進(jìn)材料和器件結(jié)構(gòu),以期實(shí)現(xiàn)更好的半導(dǎo)體性能。
【學(xué)位單位】：暨南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

.2 有機(jī)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體按載流子類型可分為 p 型（空穴傳輸型）有機(jī)半導(dǎo)體和 n 型（電子傳輸機(jī)半導(dǎo)體 2 。p 型有機(jī)半導(dǎo)體具有以下特點(diǎn)：第一、分子結(jié)構(gòu)具有大π共軛和 p-π共，這種軌道為電荷傳輸提供通道；第二、分子中含有能夠提供π電子的原子（芳香物且芳環(huán)上常含有供電子基團(tuán)）；第三、通常是分子量小于 1000 的小分子晶體。由有機(jī)半導(dǎo)體的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級較高，電離能較小，因此有利于空入 3 。常見的 p 型有機(jī)半導(dǎo)體材料有并苯類[4-8]（其中并五苯的遷移率已達(dá) 35 cm2）、寡聚噻吩及其取代衍生物（~0.5 cm2V-1s-1）[10-15]、硒酚寡聚物（0.17 cm2V-1s-1）[1雜環(huán)低聚物（0.3 cm2V-1s-1）[18,19]和四硫富瓦烯衍生物（0.4 cm2V-1s-1）[20,21]等。近年然 p 型有機(jī)半導(dǎo)體材料的性能在不斷提升，但其空穴傳輸性能與傳統(tǒng)的無機(jī)硅 200 cm2V-1s-1）[22]仍存在很大的差距。圖 1 是常見的 p 型有機(jī)半導(dǎo)體材料的分子25]。

晶體管共同構(gòu)筑的有機(jī)互補(bǔ)電路具有耗能少、操作速度快、噪音容限大等優(yōu)點(diǎn)用于各種有機(jī)數(shù)字電路，是實(shí)現(xiàn)有機(jī)電學(xué)器件應(yīng)用的基礎(chǔ)�？墒悄壳皩� n 型有機(jī)料的開發(fā)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及 p 型，具有高空氣穩(wěn)定性、高電子遷移率、可溶液加工性質(zhì)機(jī)半導(dǎo)體材料十分短缺[28,29]，大大限制了相關(guān)電學(xué)器件的發(fā)展。n 型有機(jī)半導(dǎo)體最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級較低，電子親和能較大，因而有利于電子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：第一、分子通常由芳環(huán)組成，芳環(huán)上含有吸電子基團(tuán)，例如酰胺、氧原子和金屬離子等。第二、具有共軛π電子系統(tǒng)，而且鄰近分子間的電子波程度越大，其性能越優(yōu)。常見的 n 型有機(jī)半導(dǎo)體材料有：傒酰亞胺類（2 cm2V-13]、萘酰亞胺類（8.6 cm2V-1s-1）[34-37]和并五苯及 C60的吸電子基衍生物 38 等。在空氣文獻(xiàn)報(bào)道某些 n 型有機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管可以維持相當(dāng)時(shí)間的穩(wěn)定狀態(tài)[39,40]，絕知的 n 型有機(jī)半導(dǎo)體薄膜晶體管暴露在空氣中性能都會退化甚至失效。因此，找影響材料性能的關(guān)鍵物質(zhì)并抑制該物質(zhì)與材料的相互作用是提高材料在空氣中穩(wěn)電性的關(guān)鍵。圖 2 是常見的 n 型有機(jī)半導(dǎo)體材料的分子結(jié)構(gòu)[23-25]。

開關(guān)電路、放大器電路、振蕩器電路、電流源電路、穩(wěn)壓電電路等，主要是通過小信號來控制大電流。晶體管種類很多型場效應(yīng)管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管和單結(jié)晶體管等。機(jī)場效應(yīng)晶體管為例，了解有機(jī)半導(dǎo)體材料在電子設(shè)備中的哪些因素對有機(jī)半導(dǎo)體的電荷傳輸性能和空氣穩(wěn)定性有影響工作效率的內(nèi)在因素和外在因素。圖 3 是有機(jī)場效應(yīng)晶體管應(yīng)晶體管主要包括三個(gè)組成部分：電極（柵極、源極和漏極）在柵極施加一個(gè)電壓（VGS）時(shí)，柵極和有機(jī)半導(dǎo)體層會形成以誘導(dǎo)載流子在介電層與有機(jī)半導(dǎo)體層的界面聚集。當(dāng) VG導(dǎo)晶體管產(chǎn)生導(dǎo)電溝道的最小電壓），介電層與有機(jī)半導(dǎo)體層，即產(chǎn)生電流。當(dāng) VGS比 VTH更負(fù)時(shí)，介電層與有機(jī)半導(dǎo)體的空穴載流子，即為 p 型有機(jī)場效應(yīng)晶體管。當(dāng) VGS比 VTH層的界面會產(chǎn)生大量地可移動的電子載流子，即為 n 型有機(jī)場

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本文編號：2830849