P3HT有机薄膜晶体管的制备与研究.doc

1、分类号： 密 级： U D C： 编 号： P3HT 有机薄膜晶体管的制备与研究FABRICATION AND INVESTIGATION OF P3HT ORGANIC THIN-FILM TRANSISTORS学位授予单位及代码：长春理工大学 （10186）学科专业名称及代码：微电子学与固体电子学 （080903）研 究 方 向：电子薄膜与 MEMS 技术 申请学位级别：硕 士 指 导 教 师： 王丽娟 宋德 研 究 生：胡海琛 论文起止时间：2009.112010.12 长春理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，P3HT有机薄膜晶体管的制备与研究是本人在指导教

2、师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名： 年 月 日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文数据库和CNKI系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有

3、关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名： 年 月 日指导导师签名： 年 月 日摘 要用有机材料制备的有机薄膜晶体管具有成本低、柔性、能够大面积制备等优点，在有源平板显示行业显示出了极大的应用潜力，成为新一代柔性显示器研发最为关键的一步。在掌握了充足的理论知识的基础上，我们开展了对P3HT有机薄膜晶体管的研究。采用可溶液加工的旋涂的工艺方法，制备了不同溶液浓度，不同有源层厚度条件下的P3HT薄膜，成功地制备出具有开关特性的P3HT有机薄膜晶体管。并且通过原子力显微镜对薄膜进行表征，对不同薄膜之间的差异做出了分析，为进一步的实验奠定基础。本论文还研究了退火

4、对有机薄膜晶体管的影响，实现了在160真空条件下退火对器件性能的很大提高。关键词：P3HT 有机薄膜晶体管 旋涂 退火ABSTRACTThe organic thin-film transistor, made of organic materials, having the advantage of low-cost、flexibility and preparation of large-area ,has shown a great potential to apply on the flat-panel display and become the most crucial step

5、in developing flexible display. On the basis of sufficient theoretical knowledge, we carried out the research on P3HT organic thin-film transistor and prepared the P3HT organic thin-film transistors successfully in the way of solution spin-coating under different condition of solution concentration

6、and active layers film thickness. By atomic force microscope, we tested the film thickness and analyzed the influence of difference film thickness on the performance of P3HT thin-film transistor, laying the foundations for further experiments.At the same time, the paper also studied the influence of

7、 annealing on the devices, We greatly improved the performance of devices through annealing for one hour under the conditions of 160 vacuum.Key words: P3HT Organic Thin Film Transistors Spin Coating Annealing目 录摘 要ABSTRACT目 录第一章 绪 论 11.1 引言 11.2 有机薄膜晶体管的研究意义 11.3 有机薄膜晶体管发展及其应用 31.4 P3HT 有机薄膜晶体管的发展 6

8、1.5 论文研究的主要内容 8第二章 有机薄膜晶体管的制备 92.1 有机薄膜晶体管的工作原理 92.2 有源层的制备工艺 122.3 有机薄膜晶体管的结构 142.4 P3HT 有机薄膜晶体管的制备 16第三章 溶液旋涂法薄膜晶体管的测试与表征 213.1 不同浓度下 P3HT 有机薄膜晶体管的性能 213.2 测试数据分析 283.3 P3HT 有机薄膜的原子力表征 293.4 原子力扫描图像分析. 33第四章 退火对有机薄膜晶体管的影响 354.1 退火的定义及试验方法 354.2 N2 条件下退火 354.3 真空条件下退火 454.4 实验数据的总结 534.5 不同条件下退火效应的

9、分析 54结 论 56致 谢 57参 考 文 献 581第一章 绪 论1.1 引 言首先我们先了解一下什么叫做“场效应” ，人们通常把利用半导体表面垂直电场 来控制半导体的导电能力随着这个垂直电场强度大小的变化而变化的现象称之为“场效应”。利用“场效应”原理人们发明了场效应晶体管，并且场效应晶体管现在已经成为了超大规模集成电路及显示器件中的核心元件，是现代电子科技中不可缺少的元件。晶体管按工作原理可以分为两大类 【1】 ：双极型晶体管和场效应晶体管（也叫单极型晶体管）两大类。双极型晶体管是电子和空穴两种载流子都参与导电，而场效应晶体管只是电子和空穴中的一种载流子参与导电，所以也称之为单极型晶体

10、管。根据结构的不同，场效应晶体管又分为 MESFET（Metal-Semiconductor FET，金属-半导体场效应晶体管），JFET(PN Junction FET，PN 结型场效应晶体管），MOSFET（metal-oxide-semiconductor， MOSFET）三种，但由于结构的不同，所用的材料和制备工艺也有所差别，但都属于“场效应 ”的原理。其中 MOSFET 是在我们现实生活中应用最为广泛的晶体管。由于其具有功耗小，噪声低，阻抗高，体积小，热稳定性好等诸多优点，所以成为了超大规模集成电路和显示器件中最重要的器件。场效应晶体管按其制备过程中所应用的有源层的材料分为两类：一类

11、是无机场效应晶体管，主要材料为氢化非晶硅(a- Si：H)和（poly- Si），另一类为有机场效应晶体管（Organic Field Effect Transistor ，OFET）。有机场效应晶体管就是采用有机半导体材料作为有源层，即作为半导体导电层的场效应晶体管。由于这种场效应晶体管都是以薄膜的形式制备的器件，因此也把这种器件叫做有机薄膜晶体管（Organic Thin-Film Transistor，OTFT） 【2】-【5】 ，是基于无机的（MOSFET）发展而来的。在下面的章节中为了方便，统一的把有机场效应晶体管(OFET)称为有机薄膜晶体管(OTFT),而无机薄膜晶体管称为 TF

12、T。1.2 有机薄膜晶体管的研究意义尽管有机薄膜晶体管是以无机薄膜晶体管为基础发展起来的，有着区别于无机薄膜晶体管的新特点：1）OTFT 的有源层制备工艺更为简单，制备技术种类更多、更新。无机薄膜晶体管的有源层材料一般为非晶硅薄膜 a-Si:H，用等离子化学气相沉积的方法制备。有机薄膜晶体管的有源层材料制备除了可以采用传统的真空蒸镀的方法外，还可以采用旋涂（spin-coating）、提拉、滴涂(diping)、分子自组装（self-2assemble）、Langmuir-Blodgett(LB)技术、喷墨打印印刷（printing ）技术等非真空的溶液成膜技术。这些成膜技术是无机材料所无法比

13、拟的，制备工艺简单，可以大规模成膜，使得器件的制备更加的适合工业化。2）OTFT 的有源层材料更为广泛。无机薄膜晶体管的有源层材料目前一般为氢化非晶硅(a-Si:H)和多晶硅（poly-Si）两种材料。而 OTFT 的有源层材料却是十分的广泛，并且发展潜力大。P 型有机半导体材料就有几百种，并且稳定性较好，在制备 OTFT 和驱动有机发光二级管上有很大的优势。本文所研究晶体管的有源层材料“P3HT” 就是属于 P 型的有机半导体材料。N型的材料相对较少但是也有上百种。而且有机材料可以通过合成的方法得到其衍生物，这就更加的增加了有机材料的种类。因此，有机材料的种类要大大的高于无机材料。3）OTF

14、T 的制作成本很低。无机薄膜晶体管采用的氢化非晶硅材料在空气中容易氧化，因此在制备晶体管的过程中需要使用非常精密复杂的真空设备，而且要采用特殊气体（如硅烷等），这些特气的成本很高。制备完有源层后与进行下一步工序之间还必须采用避免氧化的保护性的清洗技术，也加大了加工成本。OTFT 可以使用很多的非真空方法进行制备，并且大部分的有机材料的成膜过程中不需要特殊气体的保护，所以可以大幅度的降低加工成本。4）OTFT 自身具有很好的柔韧性，可实现柔性显示。无机薄膜晶体管中的氢化非晶硅、多晶硅等薄膜的制备温度高达 400，通常制备在无碱玻璃上，很难制备在塑料、聚合物等柔性衬底上，难以实现柔性显示。而有机半

15、导体材料制作温度都是在 180以下，可以制作在塑料、聚合物等柔性的衬底上，因此这种“全有机 ”的器件能完全的实现柔性显示 【6】 【7】 ，能够弯曲方便携带，使得OTFT 具有很好的应用前景。5）OTFT 可以用来制备大面积器件，具有良好的光学性质。无机薄膜晶体管由于制备工艺的限制，很难实现大面积的显示面板的制备。且有源层材料的氢化非晶硅是一种对光十分敏感的材料，遇到光照时材料会劣化而变性，因此制作器件时需要黑矩阵等来阻挡光的照射。而 OTFT 制备工艺的多样化和十分简便的优势，易实现大面积器件的制备，如大面积显示面板、电子纸、电子标签、智能卡等的制备及应用。且 OTFT 的有源层材料具有比较

16、好的光学性质，在光的照射下，器件的性能大多不会发生明显的变化。6）OTFT 具有良好的电学性质有机材料的原子和其自身官能团可以通过化学的方法在其分子链上进行连接或者截取，达到修饰的目的，或者是直接进行化学掺杂，这些都能改变材料的电学特性。这样可以采用修饰和掺杂的方法对器件进行优化，使得器件的性能达到要求。这种优势也是无机的材料所无法比拟的。综上所述，OTFT 占有广泛性的应用领域和其巨大的市场潜力，并且将主导下一代3显示柔性显示。另外有机太阳能 【8】 （organic photovoltaic cells）、有机发光二极管 【9】 (organic light-emitting diodes

17、)、光波导 【10】 (waveguide)、有机光电探测器等有机电子器件的制备和应用也向世人展示了有机半导体材料制备的有机电子学器件的广阔诱人前景。我们期望着有机电子器件尽快的应用于工业生产，取代无机的电子器件时代，使得人们的社会文化生活更加的丰富多彩，使人类的文明再向前迈出了一大步。1.3 有机薄膜晶体管的发展及应用在 1964 年 G.H.Heilmeier 等人第一次发现酞菁铜薄膜有机半导体材料具有场效应特性 【11】 。在 1983 年， F.Ebisawa 在聚乙炔薄膜中又一次观察到了场效应现象 【12】 。在 1984 年，在部花青薄膜中测出了 1.510-5 cm2/Vs 场效

18、应迁移率 【13】 。但是直到1986 年，真正意义上的有机薄膜晶体管才问世，是由日本的 Tsumura 等人制备而成的，有源层材料是利用电化学方法制备的聚噻吩 【14】 。其主要的器件性能参数为迁移率 10-5 cm2/Vs，开关电流比为 103，阈值电压-13V 。从那以后有机薄膜晶体管便引起了全世界广泛的关注，各种有机材料的有机薄膜晶体管相继问世，并不断的发展。上个世纪的有机电子学可以说是并五苯电子学（pentacene）的时代。到目前为止并五苯依然是研究最为广泛，场效应迁移率最高的有机半导体。器件性能也一直在不断提高。其 OTFT 迁移率也得到了很大的提高，已经远远超过商业化的非晶硅。

19、Y. Y. Lin 等 【15】 通过采用在不同的温度下生长双层并五苯作为器件的有源层，测试得出器件的迁移率达到 1.5 cm2/Vs，开关电流比达到 108。D. J. Gundlach 等人 【16】 制备的并五苯 OTFT 迁移率达到了 2.1 cm2/Vs，开关比大于 105。SNYDER John P 等人 【17】 制备的 OTFT，器件的迁移率达到了 35cm2/Vs，而且如果将器件测试的条件改变为低温225K 时，迁移率会提高至 58cm2/Vs。此 OTFT 有源层采用的是并五苯的单晶。但是并五苯材料在光照或水氧的环境下化学稳定性不够好，并且有源层的制备多采用真空蒸镀的方法，

20、限制了它的进一步实际应用。其它有机材料的薄膜晶体管还有齐聚噻吩(oligothiophene) OTFT，是由 Horowitz 等人于 1989 年首先报道的 【5】 。这也是第一个采用共轭小分子的作为有源层的OTFT。空穴迁移率达到 10-3 cm2/Vs，实现了真正意义上的实用型 OTFT。齐聚噻吩的特点是可通过化学合成的方法，改变其分子链的长度，从而能够改变其分子能级等物理特性。Akimichil 等人 【18】 在 1991 年对取代的齐聚噻吩其分子结构的有序度对迁移率的影响进行了研究，研究结果发现端基被取代的齐聚噻吩比端基没有被取代的迁移率提高了两个数量级，为人们通过改变有机分子的

21、官能团和化学修饰的方法来提高有机材料的电学特性提供了思路。Dodabalapurl 等人 【19】 在 1995 年第一次应用 a- 6T/c60的异质结结构制备了 OTFT，迁移率达到了 0.3 cm2/Vs。接着下一年 Horowitz 等人【20】 利用 6T 的单晶制备成功 OTFT，其迁移率达到了 0.1 cm2/Vs。1998 年，Z.bao 等4人 【21】 制备的全氟代酞氰铜 OTFT 迁移率达到了 0.03cm2/Vs，开关比为 5104。2000年，有机材料 DHF-6T 作为有源层制备的 OTFT【22】 ，迁移率达到了 0.02cm2/Vs，开关比为 105。2001

22、年，P. R. L. Malenfant 等人 【23】 利用 PTCDI-C8 制备的异质节 OTFT迁移率达到了 0.6cm2/Vs，开关比为 105。2003 年， V. Podzrov 等人 【24】 利用Rubrene（红荧烯）的单晶材料做为有源层制备的 OTFT 迁移率达到了 8cm2/Vs，开关比为 105。2004 年，V. C. Sundar 等人 【25】 在 V. Podzrov 研究的基础上利用这种材料的单晶制备 0TFT，其器件的迁移率达到了 15.4 cm2/Vs。2005 年 M. M. Payne 等人【26】 利用 Functionalized anthrad

23、ithiophene 作于有源层材料，采用溶液法制备的 0TFT迁移率达到了 1cm2/Vs，开关电流比为 107 。2006 年， H. Meng 等人 【27】 利用 2,6-Bis2-(4-pentylphenyl)vinyl制备的 0TFT 迁移率为 1.28 cm2/Vs ，开关比为 107 。 2007 年 H. Wang 等人 【28】 利用 Vanadyl-phthalocyanine(v)制备的 0TFT 器件的迁移率为 1.5cm2/Vs，开关比为 106。2008 年，Sung Kyu Park 等人 【29】 利用旋涂工艺，采用的是 diF-TESADT 作为有源层半导

24、体制备的 OTFT 迁移率达到了 1.5cm2/Vs。2009 年，Yi Chen 和 Ishiang Shih 【30】 采用红荧烯单晶材料作为有源层制备的 0TFT，器件的迁移率达到了 2.4cm2/Vs，开关电流比达到 106。2010 年，Myeong Jin Kang 等人 【31】 将半导体材料 DNTT 烷基化，合成新的半导体 C n DNTTs，并将其应用在有机薄膜晶体管中作为有源层材料，采用真空蒸发的方法成膜，制备的有机薄膜晶体管的迁移率惊人的达到了 8cm2/Vs。在国内，中国科学院长春应用化学研究所、清华大学和吉林大学等为代表的研究单位，对有机薄膜晶体管的研究工作中也取得

25、了长足的进步，部分可以超越和国外的研究单位。其中，清华大学邱勇教授的研究小组利用旋涂绝缘层，利用并五苯材料作为有源层制备的 OTFT，迁移率达到了 2.110-2cm2/Vs，开关比提高至 105。长春应用化学研究所闫东航组的酞菁化合物的研究开始于 1997 年，从薄膜生长到器件结构，从材料选择到器件制备都取得了重要的结果，推进了酞菁类化合物 OTFT 实用化进程。主要成果有：夹心型 OTFT、共混方法蒸镀酞菁复合物、电接触材料、弱外延生长酞菁化合物等等。目前制备的酞菁氧钒多晶薄膜的迁移率已经超过了 3.5cm2/Vs，已经能够驱动 OLED 发光，引起了世界各国科研机构的关注。由此我们可以看

26、到从上个世纪八十年代到现在，有机薄膜晶体管得到了飞速的发展，各种有机材料被应用作为器件的有源层获得了长足的发展。很多有机材料 OTFT 的性能已经超过或接近 TFT，相信不远的将来 OTFT 就会得到大规模的生产和应用。由于 OTFT 自身的特点，可以作为开关元件应用在显示器（active matrixdisplay）、电子纸和传感器方面，也实用于柔性衬底的大规模集成电路中，如电子纸、无线电子鉴别标签、电子条码、智能卡等器件中的应用。早在 1998 年，Dodabalapur 等人就利用 OTFT 驱动有机发光二极管制备成功有机智能像素。同一年 Drury 等人将 OTFT 应用在集成电路中，

27、完成了全塑型集成电路的制备。2000 年 Crone 等人利用 OTFT 为基础，完成了大规模互补型集成电路的制备。如图 1.1 为 2001 年 Philipe 公司制作的5第一块以聚噻吩乙烯撑预聚物（polythienylenevinylene）为有源层的 OTFT 作为驱动开关的液晶显示屏。其中 OTFT 的迁移率达到 1.5cm2/Vs，开关比为 4104，显示屏的大小为 2 英寸，像素为 6464。如图 1.2 为 2004 年该公司制备成功的基于柔性基底的液晶显示屏。尺寸为 3.5 厘米3.5 厘米，像素为 540540 平方微米。PARC （Palo Alto Research

28、Center）成功的利用了喷墨打印的方法制备了 128128 像素的 OTFT 基板；另外 Bell 实验室也成功的制备了 50 厘米50 厘米的 OTFT 基板。图 1.1 以预聚物为有源层的 OTFT 液晶显示屏 图 1.2 基于柔性基底的液晶显示屏图 1.3 柔性基底无限频率智能识别（RFID） 图 1.4 柔性电子纸如图 1.3 所示为 2004 年 3M 公司成功制备的柔性基底无线频率智能识别（RFID）电路，尺寸为 6 英寸6 英寸，此智能识别电路是由 25 列和 25 行电路单元组成。图 1.4 为 2006 年 Philips 公司柔性电子纸图。图 1.5 为在 2007 SI

29、D 展会上，SONY 公司首次推出了 OTFT 驱动的 2.5 英寸柔性 OLED 样品，实现了约 1670 万色的全彩显示。如图 1.6 所示为 2010 年索尼公司独自研发成功的世界上第一款 OTFT 驱动 OLDE 显示屏，并且此显示屏能够实现在缠绕在半径为 4mm 的圆柱上，进行卷绕的过程中，依然能够保持动态的显示。此显示屏所应用的 OTFT 的有源层材料为 peri-Xanthenoxanthene，此种材料属于一种稠环芳香化合物。这种有机半导体材料，使得6该 OTFT 的驱动力是以前 OTFT 的 8 倍。索尼公司还进行了相关的试验测试，该超柔性的显示屏可来回的卷返 1000 次后

30、，显示效果仍然正常。此超柔性 OTFT-OLED 显示屏参数为：大小 4.1 寸，分辨率：432 240，像素的精细度为：121PPI 显示颜色：1677 万色，亮度：大于 100 流明，对比度：大于 1000：1，厚度：80m。图 1.5 OTFT 驱动的柔性 OLED 图 1.6 OTFT 驱动 OLDE 显示屏 在国内 OTFT 应用方面的研究也十分迅速，2006 年 12 月，由中国科学院长春应用化学研究所顺利的完成了吉林省科技发展计划“ 有机 TFT 器件研究”项目，并且通过吉林省科技厅专家验收。其制备的 OTFT 器件，工作寿命超过 5 千个小时，迁移率达到 0.2cm2/Vs，开

31、关电流比达到 107，并制备出了 3 英寸 200160 和 6464 像素的OTFT-LCD 器件。该项目在高性能新型 OTFT 器件结构、有机半导体材料和绝缘层材料、系统的集成加工工艺技术方面都有创新，并获得系统的知识产权。虽然 OTFT 以及由它制备的集成电路，仍然还处于基础性质的研究过程，但其器件性能的发展比较迅速，目前已经达到或者超过了 a-Si:H 的水平。总的来说 OTFT在大面积显示、低成本和集成电路上的应用，特别是在柔性塑料衬底上具有十分广阔的应用前景。但要想要达到其器件产业化的真正实现，有机电子学及有机电子器件方面的研究，在诸多方面还需要不断提高与改进。例如：有机电子器件在

32、其制备过程中的隔绝空气、隔绝水等等的封装技术，在大气环境和室温下制备的器件的性能还有待于提高，另外还有待于提高的是器件在室温及大气条件下的稳定性和寿命。在理论方面上，有机半导体材料的导电机理，还需进一步的讨论及研究。只有以上的这些问题得到了解决，才能得到性能更为良好的场效应器件，以使得制备的器件更加的适于商业化生产及应用。71.4 P3HT 有机薄膜晶体管的发展P3HT 是 80 年代合成的聚合物，发展非常迅速，具有不同于一般聚合物的二维结构 【2】 ，是一种很好的导电聚合物材料，适合于制作晶体管。目前，OTFT 器件主要有两种结构，一个是底接触构型，另一个是顶接触的构型。1988 年 A.A

33、ssadi 等人制作了第一个 P3HT 有机薄膜晶体管 【32】 ，采用的是底接触的构型。将 P3HT 溶于氯仿溶剂中，（P3HT）Mn=9700，Mw=29000 溶于氯仿按 1mg/ml 配比，成膜采用的是旋涂的方法。旋涂速率为 2000rpm/min 保持 30min，获得的器件的迁移率为 0.9410-4 cm2/Vs。这是历史上第一个 P3HT 有机薄膜晶体管。在 1996 年有所突破，Zhenan Bao等人 【33】 采用的底接触的方法制备器件，在真空的条件下测试，迁移率达到了 0.045 cm2/Vs，提高了三个数量级。随后在 1998 年，Henning Sirringhau

34、s 等人制备出迁移率为 0.1cm2/Vs，器件的构型采用的是底接触的器件构型 【34】 ，P3HT 溶于氯仿溶液中, 溶液的质量分数为 0.7-0.8，旋涂速率为 2000 rpm，成膜的厚度为 500 到 700。 其中 Ci=10 nF/cm2，沟道长为 75m，宽为 1500m，溶液制备和器件的制备全部都是在氮气条件下进行的，在沉积薄膜之前用六甲基二硅氮烷对 SiO2 表面进行处理，而且在有源层上沉积 SiOx。在 2003 年 P3HT 薄膜晶体管又一次的得到了提高 【35】 ，迁移率达到了 0.2cm2/Vs。它是由 Santa Barbara 等人制作的器件，器件采用的底接触的构

35、型，溶液配置为 1.0 mg/ml。在制备前要进行用 0.20m 孔径的聚四氟乙烯薄膜进行过滤，成膜前用六甲基二硅氮烷对绝缘层进行处理，采用提拉或者是旋涂的方法成膜，提升速度为 0.20.5 mm/s 或者转速为 2000 rpm，制备出的薄膜膜厚为 20-40 。沟道长度为 5-25m，宽度为 1000m，绝缘层厚度为 200nm。在 N2 条件下进行测试。在 2006年，Huiping Jia 等人采用光刻的方法 【36】 ，采用的是底接触的构型得到的器件迁移率为 0.02 cm2/Vs，另外在同一年 Do Hwan Kim 等人通过控制 P3HT 一维纳米结构得到了迁移率为 0.02 c

36、m2/Vs 的器件 【37】 。2007 年 Hisashi Fukuda 等人制备的 P3HT 有机薄膜晶体管迁移率达到了 1.1cm2/Vs，此器件采用的底接触的器件结构，绝缘层用的是SiO2 厚度 20nm，沟道长度为 30m，宽度为 3.8cm【38】 。有源层的薄膜是在基底温度为 70的调节下，采用旋涂的方法成膜。器件性能的测试是在封闭的装置内充满压强为 1000PPM 的 N2O 气体的条件下进行。这也是目前来说所得到的迁移率最高的P3HT 薄膜晶体管。2008 年 B.H. Hamadani 和 D. Natelson 制备的底接触构型的薄膜晶体管，通过控制器件的沟道长度从 40

37、0 nm 到 40 m 来实现器件性能上的提高。迁移率达到了 1cm2/Vs【39】 。2009 年 Yu Fu, Cheng Lin，通过将 P3HT 薄膜暴露在邻二氯苯蒸汽中得到迁移率为 0.11cm2/Vs 的薄膜晶体管 【 40】 。2010 年台湾国立清华大学的兰宜康等人以量子计算(QM)对 P3HT 延链上及延链间两不同维度的电荷传输速率及迁移率进行了计算 【41】 。另外应用分子动力模拟(MD)技术，计算了各个不同温度及规整度环境下的 P3HT 系统，得到了其分子结构的内部资讯。结合 QM 及 MD 的结果显示，8在规整排列区的延链上传输速率会大于延链间传输约百倍，链上传输应是规

38、则区內的主要传输路径。计算结果也显示延链间方向的电子迁移率为 2-10 cm2/Vs。这一理论的计算，更加坚定了我们对 P3HT 有机薄膜晶体管研究的信心，同时 这些前人的研究对我们的进一步研究提供了宝贵的经验，并且从理论上也学到了很多的知识。1.5 论文研究的主要内容本文在掌握了充足的理论知识的基础上，开展了对 P3HT 有机薄膜晶体管的研究。首先采用旋涂的工艺对 P3HT 的氯仿溶液进行旋涂成膜。分别制备得到了5mg/ml、8mg/ml、11mg/ml 三种浓度溶剂浓度下的薄膜。通过利用不同的旋涂转数，利用台阶仪测得每种浓度下不同的旋涂转数所形成的薄膜厚度。在掌握了膜厚的基础上，开始制备这

39、三种浓度下，根据旋涂的转数形成不同有源层厚度的 P3HT 有机薄膜晶体管。并且利用安捷伦公司的 4155C 半导体测试仪测试每种浓度下每个膜层厚度的器件性能。测试后得到了浓度为 8mg/ml，有源层厚度为 550 时器件的性能达到最好。之后我们应用原子力电子显微镜进行器件有源层薄膜的表征，寻找器件性能的差异原因，并且提出进一步提高器件性能的方案，对器件的制备进一步修饰，以得到性能更好的器件。论文还论述了退火工艺对有机薄膜晶体管器件性能的影响。分别做了 80220条件下（间隔是 20）的真空和 N2 两种环境下对器件进行 1 个小时的退火。经过退火后的测试，发现在 160条件下真空环境里器件的性

40、能比退火之前具有了很大的提高，迁移率将近提高了一倍。分析了退火后器件性能提高的原因，是由于退火后薄膜内颗粒变大，以及在真空条件下颗粒表面和颗粒之间粘附的气体分子减少，减少了薄膜的陷阱，有利于载流子的传输。9第二章 基本原理2.1 有机薄膜晶体管的工作原理本论文主要是研究的 P3HT 有机薄膜晶体管，有源层为 P 型半导体材料，因此以P 型半导体材料， 空穴载流子累积型 OTFT 为例，介绍有机薄膜晶体管的工作原理，如图 2.1。图 2.1 P 型有机薄膜晶体管的工作原理 从图 2.1 可以看到其实有机薄膜晶体管就像是一个平行板电容器，由源漏电极、有机半导体薄膜层、绝缘层和栅电极组成。源漏电极和

41、有机半导体薄膜层相当于平行板电容器一个电极，栅极则相当于另一个电极，绝缘层相当于电容器中的介质层。根据在 1.1 中的场效应原理，通过控制栅极电压的变化能控制器件的导电能力。当栅压V GS为 0V时：由于有机半导体材料本征电导率都小于10-10S.cm ，所以即使在源漏电极之间加上电压V D，在有机薄膜层也不会有电流I DS流过，器件处于关闭状态，即所谓的“ 关态” 。当栅极加负电压时：由于场效应原理，就如同平行板电容器一样，在加上负的电压，空穴就会从源电极提供并注入到有机半导体层，在有机半导体层与绝缘层的界面之间累积起来，而绝缘层的另一端则累积电子。在比较小的栅极电压下，诱导产生的空穴电荷主

42、要是用来填补在器件中的半导体或绝缘层自身的陷阱，将无法产生导电的沟道。只有当栅极电压大于阈值电压（V th）时，导电沟道才能够产生，在源漏电极之间加上一个负电压，就会在有机半导体层中产生电流的流动。因此有 机 半 导 体 层绝 缘 层源 极 漏 极栅 极AIDS VGSVDS+-有 机 半 导 体 层绝 缘 层源 极 漏 极栅 极有 机 半 导 体 层绝 缘 层源 极 漏 极栅 极10阈值电压的定义为：当在有机薄膜晶体管中的有源层形成导电沟道时是所加的栅极电压称之为阈值电压。随着栅极电压的继续增加，有源层中的导电沟道增厚，相应的电阻变小，源极和漏极之间的电流就会增加。但是像平行板电容器一样如果栅极的电压过大，则整个器件就会被击穿，电流就不会再源极和漏极之间产生，而是在源极和栅极之间流动，整个器件被毁坏。有机薄膜晶体管在正常工作时有源层中的电流大小是受源极和栅极电压与源极和漏极之间的电压共同来进行控制的。由此器件在工作时电流是受到两种电压的共同控制的，在不同的栅极电压情况下，有源层中的电流 IDS 的大小变化与源极和 栅极之间电压 VDS 的变化关系曲线称之为有机薄膜晶体管的输出特性曲线，如图 2.2 所示。把在不同的源极和漏极电压情况下，有源层中的电流 IDS 的大小随着栅极电压 VGS 的变化关系曲线称之为有机薄膜晶体管的转移特性曲线，如图 2.3 所示。图 2.2 有机薄