二维分子晶体及其异质结的制备与场效应性能研究

作     者：朱晓婷 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李荣金

授予年度：2019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：有机半导体 二维分子晶体 异质结 电荷传输 有机场效应晶体管 

摘      要：二维分子晶体作为一种新兴的材料受到人们越来越多的关注,其原因主要有以下三点:(1)与二维无机半导体相比,二维分子晶体具有分子可定制合成以及可溶液加工的优势。(2)与块体有机半导体相比,二维分子晶体具有超薄、注入电阻低的优势。(3)与多晶薄膜相比,二维分子晶体具有长程有序、缺陷态密度小的优势。目前二维分子晶体阵列以及异质结的制备仍具有挑战性。本论文主要围绕二维分子晶体阵列以及二维分子晶体p-n异质结的制备及电学性能研究展开,内容如下:1.提出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)辅助溶剂蒸气退火(PASVA)制备二维分子晶体阵列的方法,成功获得了高质量的二维分子晶体阵列。该方法有两个关键点:(1)通过加入溶解性良好的聚合物PMMA做生长辅助层,增加有机半导体分子的流动性,以促进高质量二维分子晶体的生长。(2)通过倾斜衬底,诱导有序排列的分子晶体阵列的形成。详细研究了温度、退火时间等生长条件对二维分子晶体阵列生长特性的影响,并给出了二维分子晶体阵列的生长机理。通过原子力显微镜(AFM)、偏光显微镜(POM)、X射线衍射(XRD)等对得到的二维分子晶体阵列进行形貌和结构表征,证明加入PMMA后更容易得到高质量的规则晶体。通过构筑场效应晶体管,发现加入PMMA后的二维分子晶体阵列的迁移率比不加PMMA时提高了2倍。本工作提供了一种快捷、高效的制备高质量二维分子晶体阵列的新方法。2.通过层层堆叠制备二维分子晶体p-n异质结,通过对p型半导体及n型半导体层数的控制,获得了高迁移率和平衡的双极型器件。利用水面作为低成核密度的液态衬底,在水面上分别生长了p型及n型半导体的二维分子晶体。由于水面上的晶体易于转移,因此可以通过层层堆叠方法制备大面积二维分子晶体pn异质结。通过AFM、POM、透射电子显微镜(TEM)和选区电子衍射(SAED)证明得到的晶体具有较高质量。通过紫外-可见吸收光谱(UV-vis)、AFM和XRD证明p-n异质结的成功制备。通过精确调控p-n异质结场效应晶体管中p型半导体和n型半导体的层数,得到了平衡的高性能的双极型传输。二维分子晶体p-n异质结提供了一种基于单极性材料获得高性能、平衡双极性晶体管的有效方法。