面向有机发光晶体管应用的兼具高迁移率和高发光效率的掺杂薄膜的制备和性能研究

Organic light emitting transistors (OLETs) integrate light emission with current modulating function of transistors, thus revealing potential application in flexible active matrix display. At the same time, the great current density in transistors is a necessity for organic laser. However, OLETs are faced with shortage of active layer species, fewer fabrication method and low performance. This project aims at fabricating composite film that exhibit both high carrier mobility and high quantum yield to settle scientific issue that it’s difficult to achieve both high mobility and high quantum yield for active layer in OLETs. The method of doping in OLED is used for reference and the highly emissive semiconductor is doped in a controlled fashion in the semiconductor of high mobility. Semiconductors with matched energy level and similar shape are selected, at the same time, thermal annealing is inserted in the evaporation process to ensure close packing of the semiconductor in responsible for charge transfer and well-distributed doping of emissive material. The composition, morphology and molecular packing of the doped film are regulated by the variance in fabrication parameters, ultimately, the doped film is used as active layer in OLETs. The relationship between charge transfer characteristics, fluorescence of exciton recombination and physical property of doped film is studied, at the same time, the regular acquaintance of relationship between microstructure of doped film and macro performance is obtained. The project is based upon scientific issue and application-oriented, providing new access to fabrication of OLETs.

有机发光晶体管（OLETs）集成发光和晶体管开关功能，利用栅压控制发光，在柔性矩阵显示中有潜在应用，同时，晶体管中较大的电流密度，为电泵浦激光所必须。然而，OLETs活性层材料种类少，器件制备方式单一，性能低。本项目针对OLETs活性层难以同时实现高迁移率和高荧光量子产率的科学问题，以制备兼具高迁移率和高荧光量子产率掺杂薄膜为目标，借鉴发光二极管（OLED）中掺杂概念，在高迁移率场效应半导体材料中可控掺杂高发光效率半导体制备复合薄膜，筛选能级匹配，结构相近的两类材料，在先后蒸镀的次序之间引入热退火，使负责电荷传输的材料有序紧密堆积，主要负责发光的材料均匀掺杂其中，改变制备参数，调控掺杂薄膜组成，形貌和分子排列，并将其作为OLETs活性层，研究电荷传输和激子复合发光性质与掺杂薄膜物性的关系，得到掺杂薄膜微观结构与宏观性能关系规律性认识。本项目立足基础，面向应用，为OLETs制备提供新思路。

有机发光晶体管（OLETs）使用有机半导体作为有源层，通过栅电压调控发光强度，将二极管的的发光性能和晶体管的电流调制作用集成于一个器件，在柔性显示方面有潜在用途。本项目主要研究内容包括：1、单极性OLETs的制备与光电性能，2、双极性OLETs，3、全溶液法制备双层双极性聚合物半导体层。.1、基于苝酰亚胺类小分子半导体（PDI-C13），采用底栅底接触（BGBC）的器件构型，沟道长度为20 µm，在180℃下，对半导体薄膜进行退火，能得到具有一定空气稳定性的OLETs，电子迁移率为1.4 cm2 V-1 s-1，阈值电压为5 V，开关比为104。热退火使得薄膜荧光量子产率从2.9%增加到5.9%，进而提高发光强度；同时提高电极与半导体的接触质量，使接触电阻从11.2 KΩ·cm 降低到0.9 KΩ·cm；改善薄膜质量，提高迁移率。合适的沟道长度有利于实现较大的电流和较大的开关比。所制备OLETs本质上是水平发光二极管，栅极电压（VGS）通过控制电子密度来调控电子空穴的复合，发光强度与VGS是二次函数的关系。.本项目通过尝试苝酰亚胺不同的衍生物来提高荧光量子产率，包括侧链取代和Bay位取代材料，但均不理想，荧光量子产率最高为5.7%。.2、在上述工作的基础上，底层采用PDI-C13作电子传输层和发光层，顶层引入吡咯并吡咯二酮类聚合物（P(DPP-TT-OD)）作空穴注入和传输层，当底层为24 nm，顶层溶液浓度为3 mg/mL时，通过旋涂法制备薄膜，能实现平衡的电子空穴传输性能，电子迁移率为0.15 cm2V-1s-1，电流开关比为104，阈值电压是52 V。空穴迁移率达到0.16 cm2 V-1s-1，电流开关比为104，阈值电压是-13 V。在空气中能观察到发光现象。.3、在双层法制备双极性晶体管的基础上，本项目发展全溶液法制备双层双极性OFETs，第一层采用旋涂，第二层采用贴合，最大限度地保留各自的电荷传输能力。.本项目发展了简单制备OLETs的方法，分析了微观结构和器件性能的关系；开发了溶液法制备双极性器件的新方法，即将第二层薄膜贴合在第一层薄膜上，无需破坏前一层薄膜，同时保留两层半导体的电荷传输特性。