多元稠杂环有机场效应晶体管半导体材料的合成及性质研究【文献综述】.doc

1、毕业 论文文献综述 应用化学 多元稠杂环有机场效应晶体管半导体材料的合成及性质研究 引言 场效应晶体管 (field-effect transistor, FET)是通过改变电场来控制材料导电能力的有源器件。相对于 无机 场效应晶体管材料来说，有机材料具有易于通过分子裁剪调控材料性能，器件制备温度低，和柔性基底相容，可大面积、低成本制造，以及可用于大面积显示领域等突出优势。因而近十年来有机场效应晶体管的研究引起了工业界与科技界的极大兴趣，取得了极大的发展。 1.1 有机场效应晶体管 结构和工作原理 典型的有机薄膜晶体 管结构如图 1-1 所示 2，包括电极（栅极，源极与漏极），绝缘层和半导体层

2、。根据器件结构的不同分为顶电极式与底电极式。在顶电极式中，先沉积有机薄膜，再沉积电极，底电极式则与之相反。栅极可以是金属或导电聚合物，但通常由高掺杂的硅基底作为栅极。绝缘层通常为 SiO2, Al2O3 或 Si3N4 等无机物。此外，聚合物绝缘材料如 PMMA 或 PVP 等也可作为绝缘层，这对于柔性器件的制备是非常有利的。源、漏电极可以用高功函的金属（如 Au、 Pd、 Pt 或 Ag）、导电聚合物（ PEDOT:PSS、 PANI 等）和电荷转移复合物（ TTF.TCNQ, AgTCNQ 等）等， 通常人们应用 Au 作为电极 。 图 1-1. 有机薄膜晶体管结构（左图：顶电极式；右图：

3、底电极式） 2。 有机薄膜晶体管的工作原理如图 1-2 所示。当源、漏电极之间的电压（即漏极电压 VD）一定时，栅极与源极之间的电压（即栅极电压 VG）对于流经半导体层的源漏电流有很强的影响。理想情况下，当不施加栅极电压时，场效应管处于“关”状态，漏极电流 IDS 通常很低。当施加栅极电压时，电荷会进入半导体和绝缘体之间的半导1 体界面。结果，随着电荷载流子的增加，漏、源电极之间的电流增加，这时场效应晶体管处于 “开”状态。 图 1-2. 有机场效应晶体管工作原理 。 描述 OFET的 性能通常有如下两个关键参数：场效应迁移率 ()和开 /关比 (Ion/Ioff)。场效应迁移率是单位电场下电

4、荷载流子的平均漂移速度，它反映了在电场下空穴或电子在半导体中的迁移能力；场效应迁移率可以由方程（ 1）计算得出 : IDS=(WCi/2L) (VG-Vt)2 （ 1） 其中， IDS为漏极电流， 为载流子迁移率， VG 为栅极电压， Vt 为开启电压 ,W 为沟道宽度 ,L 为沟道长度 ,Ci 为绝缘体 电容。利用 (IDS， sat)1/2 对 VG作图，并作线性回归，可由此回归线的斜率推算出载流子迁移率 (） ，由回归线与 X 轴的截点求得 Vt。 开 /关比是场效应晶体管中另一项重要参数。开 /关比定义为在“开”状态和“关”状态时的源漏电流之比，它反映了在一定栅极电压下器件开关性能的优

5、劣。对于一个高性能的场效应晶体管，其迁移率和开 /关比应尽可能的高。例如， 在液晶显示屏驱动电路中使用的晶体管场效应迁移率一般应大于 0.1 cm2V-1s-1，开关比大于 106。 1.2 有机半导体材料 场效应晶体管根据载流子种类的不同可分为 p-型和 n-型两种。对 p-型场效应晶体管来说，空穴是主要的载流子，而电子则是 n-型沟道场效应晶体管的主要载流子。相应的有机半导体材料也分为 p-型和 n-型两种。 1.2.1 p-型有机半导体材料 p-型有机半导体材料的发展迅速，目前已有部分材料性能达到或超过无定形硅。并五苯是最早报道的 p-型有机半导体材料之一。自从 1960 年报道其具有半

6、导体特性以来，基于并五苯的有机场效应晶体管引起了广泛的研究 15-17。目前， Kelly 等人 5 报道其多晶薄膜的迁移率已超过 5.0 cm2V-1s-1，开关比大于 106。然而并五苯很 难溶于有2 机溶剂，且在空气中很不稳定，严重制约了其制备工艺和实际应用。噻吩类化合物是另一类主要的有机半导体材料。其中八聚噻吩的迁移率最高，在基底温度为 120 时，其真空沉积薄膜的迁移率达到 0.33 cm2V-1s-1。红荧烯是目前报道的迁移率最高的有机半导体材料，其单晶场效应晶体管 6 的迁移率最高已达 20 cm2V-1s-1。 SSSSSn图 1-3. 典型 p-型有机半导体材料 。 1.2.

7、2 n-型有机半导体材料 最早报道的 n-型 OFET 材料是酞菁镥 （ Pc2Lu） 和酞菁铥 （ Pc2Tm） 。在真空下原位测量，测得的电子迁移率为 10-3-10-4 cm2V-1s-1。 Haddon 等人于 2000 年报道了 C60 的电子迁移率达到 0.3 cm2V-1s-1，但暴露于空气时很快衰减。酰胺化的萘四酸酐和苝四酸酐，即萘酰亚胺 (NTCDI-R)和苝酰亚胺 (PDCDI-R)已成为一类重要的 n-型 OFET 材料，其电学特性随取代基有很大的变化。 MN NN NNNNNM = L uM = T mO N ONO ORR 图 1-3. 典型 n-型有机半导体材料 。

8、 1.3 有机场效应晶体管 的应用前 景 有机光电器件以其成本低廉、大面积和可弯曲而被广泛关注，尤其是液晶和有机光电器件可用于移动电子器件的显示部分。把这些器件组合成全有机的显示屏，高速度、高能量放大的有机场效应晶体管是实现这一目标的关键。 以有机场效应晶体管作为驱动部分的全有机显示屏具有以下优势：（ 1）驱动电压低，3 （ 2）发光效率高，（ 3）响应速度快，（ 4）良好的光电性能和器件稳定性。 此外，在有机激光、电子纸 (electronic papers)、电子商标 (price tags)、货物卷标(inventory tags)和智能卡 (smart card)等方面也有着极大的应用

9、前景。 1.4 目前存在的主要问题与发展趋势 从 80 年代中期以来，有机场效应晶体管以其质轻、价廉、柔韧性好等优点在各种显示装置以及存储器件方面显示了巨大的应用前景，有望成为电子器件的新一代产品。目前有机场效应晶体管材料研究的主要问题和发展方向主要集中在以下几个方面： （ 1） 具有高迁移率、高开关比和高稳定性的有机半导体材料的合成。尽管目前已有不少材料显示了较高的载流子迁移率与开关比，相比传统的无机硅晶体管，有机半导体材料的性能还无法与之竞争，一个主要的原因是有机材料的稳定性低，如 并五苯的场效应晶体管性能已超过无定型硅的性能 (迁移率达到 5 cm2V-1s-1，开关比大于106),然而

10、在环境中很快变质。因此，对材料进行化学修饰，以提高其传输特性和稳定性，获得具有高场效应性能和高稳定性的有机半导体材料是有机化学工作者的一个重要任务。 （ 2）合成在空气中稳定的 n-型有机半导体材料。目前报道的有机半导体材料大多数为 p-型， n-型材料较少，材料种类过于单一，也限制了有机场效应晶体管的发展。 此外，目前大多数有机半导体材料溶解性较差，需要用真空技术镀膜。然而，从降低制作成本和大面积制备出发，溶液 加工是更好的选择。因此合成既有良好场效应性能，又适合于溶液加工的新型有机半导体材料是材料研究的另一个重要方向。 总之，有机场效应晶体管因为具有一系列的优点而受到越来越多的重视，特别是

11、近几年，有机场效应晶体管的研究发展迅速。随着一些高性能材料的发现及关键技术的解决，有机场效应晶体管可望在实际应用中展示其优越的性能。 参考文献 1 吴卫平 , 徐伟 , 胡文平 , 刘云圻 , 朱道本 .有机场效应晶体管和分子电子学研究进展 J.化学通报 , 2006,06:404-409. 2 王宏 , 姬濯宇 , 刘明 , 商立伟 , 刘舸 , 刘兴华 , 柳江 , 彭应全 . 有机场效应晶体管及其集成电路研究进展 J.中国科学 ,2009,39(09):1495-1505. 3 刘雅玲 , 李洪祥 , 胡文平 , 朱道本 . 有机单晶场效应晶体管 J.化学进4 展 ,200603,18(

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13、6 Jianhua Gao, Rongjin Li, Liqiang Li, Qing Meng, Hui Jiang, Hongxiang Li,* and Wenping Hu*.High-Performance Field-Effect Transistor Based on Dibenzod,d thieno3,2-b;4,5-b dithiophene, an Easily Synthesized Semiconductor with High Ionization PotentialJ.Adv. Mater.,2007,19:3008-3011. 7 宋林 , 徐征 , 赵谡玲 , 张福俊 , 黄金昭 .有机场效应晶体管的研究 J.现代显示 ,2007(78):47-51.