柔性低压有机薄膜场效应管的制备、界面修饰及电荷传输机制研究

Organic thin film transistors (OTFTs) are encountering a great challenge in high operating voltage, which is an obstacle for their practical applications in organic electronics. This project will focus on the fabrication of low-voltage and high-qulity OTFTs with the high-k polymer gate dielectric on flexible substrates by soluiton processing. The relax ferroelectric polymer P(VDF-TrFE-CFE) with the dielectric constant of about 60 at the room temperature can be processed by spin-coating method for large-area fabrication of thin film that shows low leakage current and can be as a novel gate insulator of OTFT. We will investigate the different interfaces of the semiconductor and gate dielectric and obtain the excellent interfaces of charge transporting by interface engineering.We will also investigate that bending radii and number of bending influence on electrical properties of OTFTs. A simple and novel method is used to fabricate the low-voltage OTFTs on flexible substrates through solution processing in this study. Device fabrication, device physics, interface engineering, device stability and device durability in OTFTs in this study are rarely reported before in the literatures. With the improvement of field-effect mobility of organic semiconductors, it is necessary to study on device fabrication and device physics of OTFTs for their real application in the future.

目前，有机场效应管相对高的工作电压(> 20 V)阻碍其在有机电子领域的应用。本项目拟用高介电系数的弛豫铁电聚合物P(VDF-FrFE-CFE)作为新型有机场效应管的介电层，在柔性的PET衬底上制备出低工作电压(约3 V)、高性能的有机场效应管。弛豫铁电聚合物P(VDF-TrFE-CFE)介电常数室温高达60，能够使用溶液旋涂法制造出大面积、低漏电的介电层，可以作为新型的低压有机场效应管的绝缘介质。研究不同半导体/电介质界面对电荷传输的影响，通过界面工程，得到良好的适合电荷传输的界面。研究不同的弯曲半径和弯曲次数对这些器件的电学性能影响。本研究是一种简单而新颖的方法用溶液法在柔性衬底上制造低压有机场效应管。本研究进行的器件制造、器件物理、界面工程、器件在各种条件下的稳定性和耐用性，也极少有文献报道。随着有机半导体场效应迁移率的提高，有机场效应管实际应用非常迫切的需要进行这些方面的研究。

有机薄膜晶体管(OTFT)与硅基电子器件相比，具有非常多的优点，如可大面积生产、低廉的成本控制、且具可弯曲性、可折叠性及可穿戴性。近年来有大量的高迁移半导体被报道，但在实际中应用中，很少有合适的有机绝缘材料可以与这些高迁移率半导体匹配。目前大部分半导体的高迁移率是在SiO2/Si+衬底上获得的，但OTFT最终是要能用在柔性基底上，所以聚合物电介质才是OTFT应用的最佳选择。另一方面，目前OTFT较高的操作电压仍是一个关键挑战。高介电栅极是OTFT在低电压下获得大驱动电流重要方法之一，但目前很少见到有聚合物介电常数高于20的报道。最近，我们报道了一种介电常数高达60的聚合物电介质，可用于溶液法制备的OTFT上，其操作电压低于3V，OTFT显示良好的电学特性。在实际应用中，由于P(VDF-FrFE-CFE)与一些有机半导体相接触时，可能在其界面存在强的相互作用，影响电荷在其界面的传输，进而影响OTFT的性能，需要对半导体与高介电介质之间的相互作用进行研究。本项目将高介电聚合物P(VDF-FrFE-CFE)作为介电栅极材料，用溶液法在PET存衬底上制备n型聚合物P(NDI2OD-T2) 晶体管，得到工作电压3V的OTFT。当电介质与半导体界面用PVA修饰时，在3V的电压下，迁移率达0.3cm2/Vs，沟道电流达5µ，器件开关比超过105。当蒸发纳米金颗粒在PVA上作为浮栅存储器的电荷存储介质时，浮栅存储器擦写电压为6V，器件表现出优异的存储器性能，并展现出良好的柔性性能。以高介电聚合物P(VDF-FrFE-CFE)及Cytop(介电系数为2）双介电层作为介电栅极，以高迁移率p型聚合物IDTBT为半导体，用溶液法制备用操作电压5V的高性能OTFT，其场效应迁移率高达1.4cm2/Vs，开关比达106, 沟道电流高达10 µA。通过使用不同侧链长度的聚合物半导体，研究了高介电常数电介质对OTFT电荷传输性能的影响，发现在P3AT晶体管中，侧链方向上的电荷跳跃，在电荷传输中有重要作用，侧链越长， 高介电常数电介质对OTFT电荷传输性能的影响越大。 通过对高介电聚合物电介质在不同有机半导体OTFT上的行为研究、电介质与半导体相互作用机制的研究及界面修饰方法的研究，为高介电聚合物电介质在柔性OTFT中的实际应用提供有益的指导。