用于有机薄膜晶体管绝缘层材料的高介电常数聚合物的研究

Insulator materials is one of the significant factors in improving the performance of organic thin film transistors (OTFTs). Performance of insulator directly impacts the key indicators of OTFTs, such as charge mobility, threshold voltage(Vth) and leakage current.Polymer materials as insulator can be easily processed and suit for flexible substrates. The permittivity(k) of organic polymer as insulator for OTFTs is much smaller than that of inorganic materials. So,preparing polymer materials with high permittivity is the key factor to reduce the Vth of OTFTs . During the period of completing the previous fund we found that polymer materials containing cyano groups and terphenyl groups have excellent film-forming properties, good thermal stability and much larger permittivity than that of common polymer materials. OTFTs fabricated with such polymers as insulator exhibited excellent performance, k=6, Vth=-1.36V, on/off ratio>1.0E5, leakage current lower than 1.0E-8mA, and charge mobility up to 0.49 cm^2/Vs although there were no optimization of structures and processing conditions. It is necessary to research the relation between structure of such polymer materials and permittivity for obtaining knowledge of regularity and developing high permittivity polymer materials.

绝缘栅材料是改善有机薄膜晶体管（OTFTs）性能的关键因素之一，绝缘栅材料的性能直接影响OTFTs的载流子迁移率、阈值电压、漏电流等关键指标。聚合物适合于OTFT柔性基板和方便加工，但是聚合物绝缘层的介电常数比无机材料小很多，做绝缘层材料时阈值电压都比较大。降低其阈值电压的关键是制备出高介电常数的聚合物材料。我们在完成前一个基金的过程中发现分子中含有氰基苯环结构的聚合物具有比其他聚合物大得多的介电常数，同时该类聚合物具有很好的成膜性和热稳定性。通过初步的表征，这些聚合物的介电常数可达6、阈值电压最小可达-1.36V、开关比大于1.0E+5，漏电流低于1.0E-8mA，在未优化器件结构和工艺的条件下其器件的迁移率可达0.49 cm^2/Vs。因此有必要进一步深入研究这类聚合物的结构和介电常数的关系以获得一些规律性的认识，并用于高介电常数的绝缘栅材料的研究。

与传统的无机技术相比，有机薄膜晶体管（OTFT）具有很多优势，如成本较低、大面积涂覆和适合柔性衬底的低温加工等。近二十年来，科学家们对有机半导体进行了深入的研究，特别是六联苯和并五苯晶体管，并且显示出它们在有机电子应用领域的潜力。然而，有机薄膜晶体管器件的性能不仅与有机半导体的自身固有特性有关，还取决于介电材料的性质和半导体/介电材料界面的性质。因此，选择合适的介电层可以有效改善有机薄膜晶体管的整体性能。.我们设计了并合成了一系列在苯环上含有单个和两个氰基的甲基丙烯酰胺衍生单体，并进一步与环氧基团单体共聚。其中，(CN)2HG=3:6:1这种共聚物材料，在没有进行器件结构和加工工艺优化的情况下，载流子迁移率为0.49 cm2/Vs，漏电流为10-9 A，介电常数为5，电容为7 nF/cm2，阈值电压为-3.22 V左右,开关电流比大于105(Polym. Chem., 2015, 6, 3685)；为了进一步增加材料的介电常数，我们设计并合成了含氰基二联苯型单体分子。这种分子具有更大的偶极矩，并且可以与甲基丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯酸环氧丙酯共聚获得可用于溶液加工的热固化高介电绝缘层材料。这种聚合物具有良好的成膜性，并且其介电常数达到了7.2，远远高于常用的有机聚合物介电材料。以这种新型聚合物材料作为绝缘层的有机薄膜晶体管表现了优异的器件性能，器件的迁移率达到了0.8 cm2/Vs，阈值电压为-3 v(Polym. Chem., 2015, 6, 6651) ；为了能在单一变量条件下研究半导体层结晶形态和晶区尺寸大小与有机薄膜晶体管器件性质之间的规律，我们设计合成了一种具有聚合活性含蒽基结构的有机单体。对应得到的一系列聚合物绝缘层薄膜表面性质和表面形貌极其相似，屏蔽了绝缘层表面不同化学基团和形貌对载流子迁移不同影响的因素。在复合绝缘层表面气相沉积的有机并五苯半导体分子结晶晶区尺寸大小随着聚合物结构中蒽基含量的增加而不断变小，达到了通过改变聚合物绝缘层结构从而调控半导体材料结晶晶区尺寸大小的目的。最终以有机/无机复合绝缘层制备的并五苯型有机薄膜晶体管在最适宜的半导体结晶晶区尺寸下，器件载流子迁移率得到最大值 0.7 cm2/Vs. (Polym. Chem., 2016, 7, 2143~2150)