稳定高效率的有机发光场效应晶体管相关基础科学问题研究

有机发光场效应晶体管兼具二极管的发光特性与晶体管的开关特性。其主要特点是电子空穴复合区域大，复合效率高；电极和发光区分离，大大减少了电极对发光的损耗；三个电极有利于控制两种载流子注入的平衡，这些特点使场效应晶体管在制备高效率发光器件上有很大优势。近年来，采用高迁移率的有机单晶制备的发光晶体管则被认为是实现电泵浦激光的理想候选。然而，单晶场效应晶体管的研究还处于起步阶段，器件的发光效率都很低，发光区域的分布和亮度很不均匀，缺乏制备均匀稳定高效率的场效应晶体管的技术。本项目拟通过晶体管的结构设计，分析晶体管结构中的基础物理问题，探索稳定高效率的有机发光场效应晶体管的制备方法。有机发光场效应晶体管是材料、物理、化学多学科交叉的领域，具有重要的发展前景和工业应用前景。

本项目的研究工作主要针对有机发光场效应晶体管这一新型器件开展。项目以具有J-聚集体结构的CNDSB单晶为半导体层，以金为漏源电极，制备了双极型有机场效应晶体管器件。该器件具有高的电子和空穴迁移率，特别是在CNDSB的LUMO（-3.26eV）与金的功函数（-5.1eV）存在高能量差的情况下，电子迁移率（0.243 cm2 V-1 s-1）达到了目前报道的最高水平（以钙为电极，rubrene：0.3 cm2 V-1 s-1；BP3T：0.24 cm2 V-1 s-1）；通过对CNDSB晶体结构的详细分析，发现CN基与金原子之间形成的共轭键有利于电子的注入，载流子的传输通道与晶体π轨道重叠方向的一致也有利于载流子的传输。考虑到片层晶体的结构（CN基在边缘），通过测量电子空穴迁移率与晶体厚度的关系，证实了电子主要是通过CN-Au注入的。采用金钙做电极材料，成功的在CNDSB单晶场效应晶体管器件中观察到了边缘的电注入发光；采用红荧烯晶体和TCNQ晶体制备P型和N型的有机场效应晶体管器件，通过对器件性能的大量分析，找到了制备PMMA修饰层的最优实验条件；采用实验室合成的D-A体系晶体（TPA-PE）作为有机半导体制备有机场效应晶体管，制备的器件都具有良好的电学特性（迁移率为0.01 cm2/Vs）和光响应效应；提出通过器件结构注入载流子的方式得到激子，由激子-振动耦合将能量传递到合适的分子振动能级来获得新型太赫兹（Thz）源的研究思路。根据这一思路，通过大量的筛选，构建了以结构简单、刚性、对称且发光效率低的并五苯为有机半导体的OLED结构，观察到了位于79cm-1和20 cm-1的两个发射峰，证实了这种获得Thz发射波谱的可行性，通过黄里氏因子的计算，推断出位于79cm-1的Thz发射峰主要来源于并五苯的分子骨架振动。进一步理论计算证实通过打破半导体分子的对称性、挑选具有好的半导体性能的材料应该可以提高Thz检出强度，为实验的下一步开展提供了理论依据。