【摘要】：有機(jī)分子晶體由于分子排列高度有序和極低的雜質(zhì)含量,使晶體具有高的熱力學(xué)穩(wěn)定性和高的載流子遷移率。晶體中明確的分子結(jié)構(gòu)和堆積方式,也為我們研究材料的結(jié)構(gòu)特征(例如分子間相互作用力、分子的排列方式)與材料的性質(zhì)(例如晶體的發(fā)光效率和晶體的電荷注入以及載流子遷移率)之間的關(guān)系提供了理想的模型。有機(jī)場效應(yīng)晶體管尤其是雙極型有機(jī)場效應(yīng)晶體管是一種能夠同時(shí)研究電子和空穴遷移特性的非常有效的器件。場效應(yīng)晶體管特殊的器件結(jié)構(gòu)為直接原位觀察載流子的注入、復(fù)合和電致發(fā)光等物理過程提供了有效的手段。特別是基于高質(zhì)量有機(jī)晶體的雙極型有機(jī)場效應(yīng)晶體管能夠承受超高電流密度的注入和遷移而成為研究材料電學(xué)性質(zhì)的有力工具。由于載流子的復(fù)合區(qū)域遠(yuǎn)離注入電極,有效地避免了電極對(duì)激發(fā)態(tài)的淬滅的影響。同時(shí),雙極型場效應(yīng)晶體管在復(fù)合區(qū)域內(nèi)的電荷密度低,可以有效地降低載流子與激子之間的相互作用,避免出現(xiàn)如同有機(jī)電致發(fā)光二極管(OLED)類型器件在高電流密度下普遍存在的效率滾降問題。所以雙極型有機(jī)場效應(yīng)晶體管被認(rèn)為是有機(jī)電泵浦激光的候選器件結(jié)構(gòu)。然而,目前為止,還沒有通過有機(jī)場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)中觀察到電泵激光,這一方面是由于目前應(yīng)用到晶體管結(jié)構(gòu)中的有機(jī)半導(dǎo)體材料體系還不完善。雙極型場效應(yīng)晶體管對(duì)于有機(jī)單晶的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)提出了非�？量痰囊�,目前僅有少數(shù)有機(jī)晶體能夠滿足場效應(yīng)晶體管發(fā)光的條件。其中大多數(shù)的有機(jī)半導(dǎo)體材料又都屬于空穴型,即使使用鈣作為電子注入電極,也并不能獲得理想的電子注入和遷移的能力。因此,開發(fā)新的能夠在場效應(yīng)晶體管中表現(xiàn)出平衡的載流子遷移率的晶體材料體系是一件非常有意義而且重要的工作。此外,場效應(yīng)晶體管的器件制備中還要求有機(jī)晶體能夠生長成片狀的單晶。物理氣相傳輸法(Physical Vapor Transport,PVT)是一種生長大尺寸高質(zhì)量的有機(jī)晶體的常用的方法,可以得到非常薄而且表面光滑的晶體,這種晶體非常適合高性能有機(jī)單晶的場效應(yīng)晶體管的研發(fā)。在物理氣相傳輸過程中,晶體在高溫條件下生長,氣相中的分子具有較高的動(dòng)能,能夠以盡可能穩(wěn)定的堆積方式形成晶體。同時(shí),氣相生長的方法有效避免了溶液法存在的溶劑對(duì)晶體表面腐蝕的作用,提高了PVT方法生長得到的晶體的表面的平整度,有利于提高晶體器件的性能。目前大多數(shù)有機(jī)單晶場效應(yīng)晶體管中所使用的晶體都是通過該方法來制備得到的。在本論文的研究中,我們首先選用了我們研究組前期制備的片狀晶體材料β-CNDSB作為研究對(duì)象,通過精確調(diào)整其PVT生長過程的各項(xiàng)參數(shù),找到最優(yōu)化的生長條件,詳細(xì)研究了該片層晶體的晶體結(jié)構(gòu)和晶面取向等基本結(jié)構(gòu)性質(zhì),接著使用這種片層晶體制備了多種結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管器件。器件顯示出了雙極型的、平衡的載流子注入和傳輸,獲得的最高電子和空穴遷移率分別達(dá)到了2.50 cm2V-1s-1和2.10 cm2V-1s-1。并且在基于β-CNDSB片狀晶體的鈣/金不對(duì)稱電極場效應(yīng)晶體管中觀察到了器件的場效應(yīng)發(fā)光的現(xiàn)象,其場效應(yīng)發(fā)光性質(zhì)表現(xiàn)出了典型的因光波導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致的邊緣發(fā)光的特性。接下來,通過對(duì)β-CNDSB晶體的結(jié)構(gòu)和器件性質(zhì)分析,我們?cè)O(shè)計(jì)合成了β-PBTA和α-PBTA兩種新型有機(jī)半導(dǎo)體材料。通過PVT方法獲得了各自的片狀晶體,并對(duì)這兩種晶體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。我們使用這些片狀晶體制備了多種結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管器件,其中β-PBTA的片狀晶體制備的場效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的雙極型注入和傳輸?shù)奶匦?最高電子和空穴遷移率分別達(dá)到了4.43 cm2V-1s-1和24.16cm2V-1s-1,在金/鈣不對(duì)稱電極的器件中,β-PBTA晶體場效應(yīng)晶體管出現(xiàn)了場效應(yīng)發(fā)光的現(xiàn)象。然而,基于α-PBTA的晶體的器件性能較差,我們僅僅觀察到了器件的空穴注入和傳輸?shù)男再|(zhì),通過分析我們認(rèn)為可能是晶體的導(dǎo)帶能級(jí)較高,造成電子注入變得極其困難。另一方面,這兩種晶體的光致發(fā)光效率相對(duì)不高,分別為32%和43%,也可能并不適合作為制備電泵浦有機(jī)激光器件的候選材料。最后,我們以β-CNDSB為模型,詳細(xì)分析了在材料體系中強(qiáng)吸電性的氰基和規(guī)整的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于器件的注入和傳輸?shù)挠绊�。指出了氰基和氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常有利于雙極型晶體管中電子的注入。另外,我們利用能帶理論分析了β-CNDSB晶體管器件中輸出曲線中表現(xiàn)出的一定肖特基接觸特性的來源。我們的研究指出:合理設(shè)計(jì)的分子的結(jié)構(gòu)可以獲得非常有利于有機(jī)分子在氣相沉積的過程中形成片狀晶體的分子;氰基的存在對(duì)于載流子的注入,尤其是電子的注入非常有利;強(qiáng)氫鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于載流子的注入和傳輸過程都有非常重要的促進(jìn)作用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN386

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本文編號(hào)：2302577