高质量红荧烯超薄膜的生长及其应用

作     者：胡小蓉 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：迟力峰

授予年度：2016年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：红荧烯 异质成核 薄膜生长 有机薄膜晶体管 气体传感 

摘      要：红荧烯是一种典型的有机半导体分子,其单晶迁移率较高且具有高度离域的电荷传输特性,因而在近十几来受到广泛的关注。虽然红荧烯单晶具有极高的迁移率,但是由于目前有机单晶尚难以大面积、低成本制备,因此有机光电器件的活性层主要以薄膜的形式存在。故此,我们希望获得红荧烯的结晶态薄膜,从而实现这种高性能材料的器件化。红荧烯分子在气相的非平面扭曲构型的特性使其在惰性衬底(如二氧化硅、塑料)上很难形成结晶态薄膜,因此在之前的研究中人们利用在惰性衬底和红荧烯分子层之间加入晶态超薄膜诱导层或者自组装单分子层来诱导红荧烯分子形成结晶态的薄膜。然而,在这些方法的作用下形成的红荧烯结晶态薄膜在生长过程中达到某个临界厚度时需要经历一个从非晶态到结晶态的相转变过程,并且发生相转变后形成的结晶态薄膜的厚度在20 nm以上;这种复杂的生长方式造成同一薄膜不同区域的均匀性欠佳,不同生长批次间的重复性较差。因此,本论文研究的主要目的是:(1)研究红荧烯分子的生长行为,寻找红荧烯分子在生长初期直接形成结晶态薄膜的生长方法,获得高均一性、高可重复性的结晶态红荧烯薄膜;(2)研究利用结晶态红荧烯超薄膜作为活性层的有机电学器件的性能,主要以有机薄膜晶体管和有机薄膜传感器为主。本论文的主要工作如下:1.我们对诱导层p-6P弱外延生长红荧烯结晶态薄膜的方法进行了深入的研究。双层p-6P诱导层比单层p-6P诱导层更有利于弱外延生长红荧烯分子,双层p-6P诱导生长的红荧烯结晶态薄膜在薄膜形貌和器件性能上均体现出明显的优势。在双层p-6P诱导层存在的情况下,红荧烯分子初期生长为非晶点状,当厚度增加时围绕非晶核逐渐转化为孔链状薄膜,最后经过晶畴之间的相互融合形成结晶态的台阶状薄膜。孔链状红荧烯薄膜是点状非晶态到台阶状结晶态薄膜的过渡态,红荧烯晶态薄膜的形成经历了一个相转变过程。2.我们通过引入异质核C的方法成功地获得了结晶态的红荧烯超薄膜。在红荧烯分子初期倾向于围绕其非晶点状核进行生长的启发下,我们引入了点状异质核C,发现红荧烯分子在生长初期围绕着C直接形成了结晶态的薄膜。随着红荧烯薄膜厚度的增加,我们获得了不同厚度的红荧烯结晶态薄膜,且其薄膜形貌具有很高的均一性和可重复性。结果表明:异质核C触发了红荧烯分子直接形成结晶态薄膜而没有经历相转变的过程。接着,我们将异质核C诱导的红荧烯晶态超薄膜制备成有机薄膜晶体管,并优化其器件性能。当厚度仅为3 nm时,C诱导的红荧烯薄膜晶体管就表现出了场效应性质;当厚度为10 nm时,器件场效应迁移率就达到了1.00-1.40 cm2/V·s,比同厚度没有C存在的情况(0.006-0.25 cm2/V·s)高出至少一个量级;在厚度大于20 nm时器件迁移率为1.70-2.80 cm2/V·s,与没有C存在情况下通过相转变得到的结晶态薄膜的迁移率(1.00-3.40 cm2/V·s)相比,平均水平相当但是分布更为集中。实验结果表明:由异质核C诱导生长的红荧烯超薄膜具有优良的器件性能,这与高有序、高均一性和可重复性的薄膜形貌是密不可分的。3.我们研究了基于异质核C诱导的红荧烯超薄膜的有机薄膜传感器的传感性能。由于C诱导生长红荧烯分子可以得到均一、超薄的结晶态薄膜,因此可以用于气体传感器,这是同厚度无C条件下形成的多相共存的红荧烯薄膜所无法实现的。红荧烯超薄膜对NO气体的最高相对响应强度S(%)达到3400,对NH气体的最高相对响应强度S(%)达到5200。其中,红荧烯异质超薄膜对NH的响应性能已经可以与目前最高水平的NH传感器相媲美。实验结果表明:基于异质核C诱导生长的红荧烯超薄膜传感器表现出了良好的传感性能。我们首次实现了红荧烯薄膜传感器,开辟了红荧烯分子应用于有机薄膜传感器的新道路,同时也为其它非平面构型的分子在传感器方面的应用提供了新的方法。