新型有机膦酸自组装单分子膜用于有机场效应晶体管的界面研究

Organic field effect transistors (OFETs) are basic units in organic integrated circuits and are important elemental organic electronic devices. OFETs are interface devices whose performance strongly depends on the interface between an organic semiconductor and dielectric. However, due to the complexity of the interface issues, the key scientific issue about influences of interfacial properties on the charge transport is still unclear so far. Self-assembled monolayers (SAMs) can completely change the surface properties and are thus particularly useful in modulating semiconductor–dielectric interface structures. In this project, we propose to design novel SAMs of phosphonic acids with different chain length and terminal group and to use them for modification of AlOx dielectric in OFETs. The proposed research is expected to explore the relationship between chemical structure of SAM molecules and surface properties of SAM, such as the ordering, lattice structure, surface energy. Also we plan to study the influences of surface properties on the nucleation, growth and morphology of the organic semiconductor film as well as charge transport mechanism. Based on these fundamental studies, the success of the proposed research is expected to result in new interface engineering strategies for high-performance p- and n-channel OFETs, and to promote the development and application of organic electronics.

有机场效应晶体管（OFETs）是有机集成电路的基本元件，具有重要的工业应用前景。OFET的性能与其界面性质密切相关，然而，由于界面问题的复杂性，界面性质对电荷传输的关键科学问题至今研究得不甚清楚。自组装单分子膜能极大地改变界面性质，同时能调控半导体层形貌。本项目拟设计合成具有不同链长和末端基团的有机膦酸SAM分子，研究其自组装单分子膜的性质，例如有序度、晶格结构、表面能等，从而揭示分子的化学结构与单分子膜的超分子结构之间的关系；同时研究有机半导体层在不同SAM上的形貌、晶格以及界面分子取向，探讨SAM的界面性质与有机薄膜成膜以及OFET中界面电荷传输的内在关联。本项目通过对有机场效应晶体管中上述界面问题的基础研究，将为制备高性能p型及n型有机场效应晶体管提供新思路，为有机电子器件的发展作出贡献。

有机场效应晶体管的界面性质对电荷传输以及器件性能有着关键性的作用。本项目通过自组装单分子膜来调控界面性质，从而有效地调控了有机半导体薄膜的凝聚态结构，进一步优化了有机场效应晶体管的器件性能，并探究了界面性质与机薄膜成膜及界面电荷传输的内在关联。主要内容有：1.研究了SAM分子末端基团结构与界面性质之间的关系。本项目设计合成了具有不同末端基团的有机膦酸SAM分子，结果表明增加SAM分子末端基团的极性、体积以及环张力，其表面能也将相应增加，SAM分子有序度将会下降。采用两种有机膦酸分子形成混合SAMs有助于增加SAM的有序度。2.研究了具有不同末端基团的SAMs对p型有机半导体薄膜多晶相的影响。具有环己基末端基团的CDAP SAM和具有苯基末端基团的PhDPA SAM能地诱导溶液法制备的p型半导体薄膜出现两种不同的晶相。CDPA表面薄膜的场效应迁移率高达30.6cm2v-1s-1，比PhDPA上高3倍。高迁移率主要是由于在CDPA上的半导体薄膜具有较小的面内晶格。3.研究了具有不同末端基团的SAMs对n型有机场效应晶体管器件性能的影响。SAM末端基团环张力越大，有机薄膜有着更大晶体间隙；SAM末端体积越大，自组装单分子层排列不够紧密。这些会造成n型器件界面电子传输的陷阱效应，影响空气稳定性。通过混合SAMs可以提高SAMs的有序度和结晶性，优化半导体薄膜形貌，从而促进电荷在界面的传输。4.研究了界面掺杂对有机半导体/碳纳米管薄膜形貌、迁移率以及热电性能的影响。体相掺杂中，掺杂剂均匀分散在薄膜内部，破坏了薄膜内部的有序结构；界面掺杂中，掺杂剂在薄膜表面形成相分离结构，对薄膜内部电荷传输通道的影响较少。复合薄膜的热电性能随着有机半导体迁移率的增加而增加。这些结果表明，通过界面工程来控制薄膜的物理结构从而有效地提高电荷传输，不仅能提高有机场效应晶体管的性能，还能应用于有机热电材料和器件领域，为有机电子器件的发展提供了新思路。