界面修饰—用于高性能有机场效应晶体管的制备

作     者：杨蕊 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘瑶;刘宇

授予年度：2022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：有机场效应晶体管 界面修饰 聚合物双性离子 界面掺杂 载流子迁移率 

摘      要：界面在有机电子器件中对器件性能起着重要作用,因此影响着有机电子学的发展。针对有机场效应晶体管中的异质界面,界面修饰为提高器件性能提供了一种简单且有效的方案,并占据了相当重要的地位。因此,本文的两个工作分别在电极/半导体和介电层/半导体两个不同的界面处引入了具有不同特性的分子,采用了不同的界面修饰手段均使有机场效应晶体管器件性能得到了显著提升,丰富了界面工程在提升有机电子器件性能上的应用。主要工作如下:1.选用了经典聚合物双性离子材料(PZ)在电极表面自组装形成单分子层,修饰源漏电极,提高基于p型聚合物场效应晶体管的器件性能。PZ吸附在金属电极表面,形成强的界面偶极,调节了电极表面功函数,使其与半导体活性层材料的最高占有分子轨道能级更加匹配。实验首先制备了未修饰和经过PZ修饰电极的顶栅器件,发现各性能参数与原始器件相比均有明显提升。并通过一系列表征证实了器件性能提高的原因-电荷注入势垒降低,提高了器件中载流子注入和提取效率,降低了器件接触电阻,从而提升了晶体管器件的载流子迁移率。原子力显微镜和掠入射广角X射线散射表征发现引入PZ在电极表面没有显著影响半导体薄膜的形貌结构与结晶,说明器件性能的提升主要是由电荷注入效率改善引起的。总之,本研究工作在半导体/电极界面引入PZ自组装单分子层,选择性修饰电极表面,显著提升了器件性能,为解决电极/半导体界面缺陷提供了简单有效的方法。2.设计合成了以萘酰亚胺为核的共轭小分子NDI-3NZ,将其引入半导体/介电层界面,对经典半导体材料N2200进行表面掺杂,提升了晶体管器件的电子迁移率。NDI-3NZ本身具有自掺杂效应,使其具有较高的电导率。通过一系列表征手段说明了掺杂剂和被掺杂分子之间的相互作用。由于NDI-3NZ和半导体活性层之间存在能极差,二者接触时发生分子间电荷转移,提高了沟道中的电子密度,使器件电子迁移率提高。理论计算证明,引入NDI-3NZ在活性层表面后,填充了界面缺陷,导致界面缺陷浓度降低。与此同时,NDI-3NZ edge-on的取向优势使其具有更多的掺杂位点,提升了掺杂效率。本研究课题通过上述这种简单有效的界面掺杂,提升了n型半导体的电子迁移率。