自组装膜与有机模板分子在薄膜晶体管中的应用研究

载流子传输(空穴或电子)效率高低是决定有机薄膜晶体管以及有机电致发光器件性能的关键因素,而半导体层材料的成膜有序性是影响载流子传输效率的主要因素之一。本项目将通过自组装单分子膜和有机模板诱导成膜法相结合的方式，有效实现某些有机半导体材料真空蒸镀形成有序结晶膜，从而大幅提高半导体层内以及层界面之间的载流子传输效率，最终实现整体半导体器件的性能提升。通过设计合成用于自组装膜的硅烷, 磷酸等长链分子,以及用作修饰层模板的有机分子,筛选最为适合的系列有机材料用于器件制备中;通过研究有机模板分子在自组装膜上的生长机制, 以及成膜形貌特征, 探寻其诱导半导体层材料形成有序晶膜的取向生长机制, 分析研究此过程中的基本科学问题,为探寻一种通用有效的诱导有机半导体分子形成有序结晶膜的方法提供可能的理论依据。

有机半导体材料在蒸镀过程中，大多容易形成无定形的薄膜，或者包含较多杂质的膜, 这种膜不利于增强分子间的π-π 作用，阻碍电子的传输。并且, 杂质在晶体界面处形成陷阱, 捕获空穴形成势垒, 最终影响载流子的传输，降低半导体器件的性能。解决此类问题，实现优化器件性能的方法很多, 其中较为典型的方法之一为自组装分子薄膜(self-assembled-monolayer), 利用自组装膜修饰栅极/介电层, 形成单层膜或者多层膜, 可以实现半导体器件的性能提升。本项目主要集中于设计合成新型磷酸衍生物分子自组装膜材料，将其应用于有机薄膜晶体管和石墨烯场效应晶体管中，分析其对于二氧化硅介电层的修饰作用，并得到了性能优化的晶体管器件。结论如下(1) 利用长链磷酸ODPA修饰介电层，并利用有机模版层分子PQ，可以诱导半导体材料DPP在真空蒸镀条件下形成有序结晶膜，分析了器件的形貌学，认为是有序结构提升了层间载流子的传输效率，由此得到性能优化的晶体管器件。（2）通过分析发现自组装膜材料基端带有给电子基团，或者吸电子基团，对于石墨烯层的掺杂效应不同，由此可以改变石墨烯层的费米能级，优化其半导体特性。（3）设计合成了几种n-型有机半导体材料，重点在于通过分子自组装膜修饰后优化n-型晶体管在空气中的稳定性，最终提高晶体管器件的整体性能。