自組裝聚雙炔基衍生物分子膜共軛方向控制及其場效電晶體性能之研究

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張睿言(Jui-Yan Chang) 查詢紙本館藏

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化學學系

論文名稱

自組裝聚雙炔基衍生物分子膜共軛方向控制及其場效電晶體性能之研究
(Conjugate alignment control of the molecular film of self-assembled polydiacetylenic derivatives and its applications in field-effect transistors)

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摘要(中)

雙炔基衍生物具有照光聚合特性，我們於實驗中利用雙炔基衍生物(9,11-tetracosadiynoic acid 、10,12-pentacosadiynoic acid、11,13-hexacosadiynoic acid...等)溶於有機溶劑中，並將矽晶片以特定角度浸泡於溶液中，利用溶液由矽晶片退去表面同時溶劑揮發的方向性外力，將雙炔基衍生物製作成有方向性薄膜於矽晶片上，照光聚合而獲得一方向性共軛鏈，並應用於製備有機場效電晶體。另一部份我們也分析該液相成膜系統中，影響有機分子成膜性的因素如濃度、溶劑、蒸氣壓、官能基…等。結果顯示以乙酸乙酯為溶劑，在適當拉出速度下，能得到最具方向性之均勻薄膜。
將聚雙炔基衍生物薄膜利用於有機場效電晶體的半導體層，我們獲得共軛鏈與非共軛鏈電性差異，在載子遷移率(mobility)的部分共軛鏈約等於0.0586 cm2/Vs而非共軛鏈則約為0.0225 cm2/Vs，以此驗證共軛方向所影響的電性效益。

摘要(英)

Diacetylenic derivatives show the characteristics of topochemical polymerization upon UV-irradiation . In this work, the diacetylenic derivatives(9,11-tetracosadiynoic acid 、10,12-pentacosadiynoic acid、11,13-hexacosadiynoic acid...) were dissolved in different organic solvents ,with a silicon wafer withdraw from the solution at a specific angle ,to prepare oriented polydiacetylene films , paraments such as , concentration、solvent type、solvent vapor pressure、functional group on the film-forming process were analysed . The results show that with ethyl acetate as solvent , smooth and oriented films can be obtained by adjusting the withdrawing speed .
Oriented polydiacetylene films were used as the semiconductor channel in field effect transistors ,and anisotropic electrical properties were measured along the conjugation direction versus other directions , with a mobility about 0.0586 cm2/Vs along the conjugation direction and 0.0225 cm2/Vs along direction perpendicular to the conjugation .

關鍵字(中)

★ 場效電晶體
★ 聚雙炔基
★ 共軛方向控制
★ 自組裝

關鍵字(英)

★ self-assemble
★ field-effect transistors
★ polydiacetylene
★ conjugation alignment

論文目次

目錄
壹、緒論 1
1-1 聚雙炔基(polydiacetylene；簡稱PDAs)化合物之簡介 2
1-2 有機場效電晶體導論 7
1-2-1 有機場效電晶體之元件結構 8
1-2-2有機場效電晶體元件原理 9
1-2-3 有機場效電晶體的重要參數 11
貳、研究動機與方法 13
參、實驗部分 14
3-1 實驗藥品與材料 14
3-1-1 薄膜藥品 14
3-1-2 清洗矽晶片所用藥品 14
3-1-3 基材來源 15
3-2 實驗用儀器 15
3-2-1 原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy） 15
3-2-2 顯微拉曼光譜分析儀(Micro-Raman Spectrumeter) 16
3-2-3 真空蒸鍍機 ( Vacuum Deposition System ) 18
3-2-4 注射回抽式幫浦 18
3-3 矽晶片的清洗 19
3-4 大氣下有機薄膜製備 19
3-5 高蒸氣壓下有機薄膜製備 20
3-6 薄膜聚合 20
3-7 電極製備 21
肆、結果與討論 22
4-1雙炔基衍生物於不同溶劑表現之觀察 22
4-1-1 10,12-pentacosadiynoic acid in CH2Cl2 23
4-1-2 10,12-pentacosadiynoic acid in CHCl3 23
4-1-3 10,12-pentacosadiynoic acid in Ethyl acetate 24
4-1-4 10,12-pentacosadiynoic acid in Toluene 25
4-1-5 10,12-pentacosadiynoic acid in Hexane 26
4-1-6 10,12-pentacosadiynoic acid in MeOH 26
4-2 雙炔基衍生物於不同濃度與角度下成膜性觀察 27
4-2-1 8C-PDA (5mM) on 60⁰、45⁰、30⁰、15⁰ stage 28
4-2-1-1 5mM on 60⁰ stage 28
4-2-1-2 5mM on 45⁰ stage 28
4-2-1-3 5mM on 30⁰ stage 29
4-2-1-4 5mM on 15⁰ stage 29
4-2-2 8C-PDA (1mM) on 60⁰、45、30⁰、15⁰ stage 30
4-2-2-1 1mM on 60⁰ stage 30
4-2-2-2 1mM on 45⁰ stage 30
4-2-2-3 1mM on 30⁰ stage 31
4-2-2-4 1mM on 15⁰ stage 31
4-2-3 8C-PDA (0.5mM) on 60⁰、45、30⁰、15⁰ stage 32
4-2-3-1 0.5mM on 60⁰ stage 32
4-2-3-2 0.5mM on 45⁰ stage 32
4-2-3-3 0.5mM on 30⁰ stage 33
4-2-3-4 0.5mM on 15⁰ stage 33
4-2-4 8C-PDA (0.1mM) on 60⁰、45、30⁰、15⁰ stage 34
4-2-4-1 0.1mM on 60⁰ stage 34
4-2-4-2 0.1mM on 45⁰ stage 34
4-2-4-3 0.1mM on 30⁰ stage 35
4-2-4-4 0.1mM on 15⁰ stage 35
4-2-5 雙炔基衍生物於不同條件下成膜性討論 36
4-2-6 8C-PDA 5mM on 60⁰ stage 樣品表面分析 37
4-2-6-1 8C-PDA 5mM on 60⁰ 樣品原子力顯微鏡分析 37
4-2-6-2 8C-PDA 5mM on 60⁰ 樣品拉曼光譜分析 41
4-3 雙炔基衍生物於飽和溶劑蒸氣壓下表現行為 44
4-3-1 8C-PDA 5mM 60⁰ 於飽和EA蒸氣壓下 44
4-3-2 8C-PDA 5mM 45⁰ 於飽和EA蒸氣壓下 47
4-3-3 8C-PDA 5mM 30⁰ 於飽和EA蒸氣壓下 48
4-3-4 8C-PDA 5mM 15⁰ 於飽和EA蒸氣壓下 49
4-3-5 雙炔基衍生物於飽和溶劑蒸氣壓下表現行為討論 50
4-4雙炔基與官能基於有機分子作用力結果探討 50
4-4-1 n-hexacosane於矽晶片上之表面分析 50
4-4-2 15,17-dotriactontadiyne於矽晶片上之表面分析 52
4-4-3 10,12-pentacosadiynol於矽晶片上之表面分析 54
4-4-4 cerotic acid於矽晶片上之表面分析 56
4-5 雙炔基衍生物奇偶效應研究 58
4-5-1 9,11-tetracosadiynoic acid 5mM 60⁰ stage 59
4-5-2 10,12-pentacosadiynoic acid 5mM 60⁰ stage 61
4-5-3 11,13-hexacosadiynoic acid 5mM 60⁰ stage 63
4-5-4 12,14-heptacosadiynoic acid 5mM 60⁰ stage 63
4-5-5 13,15-octacosadiynoic acid 5mM 60⁰ stage 65
4-5-6 雙炔基衍生物奇偶效應討論 67
4-6 雙炔基聚合物於有機場效電晶體探討 69
4-6-1 延長雙炔基聚合物方向性共軛長鏈 69
4-6-1-1 8C-PDA 1mM 15⁰ stage 69
4-6-2 雙炔基聚合物於有機場效電晶體元件製作 72
4-6-3 雙炔基聚合物於有機場效電晶體元件量測 72
伍、結論 76
陸、參考文獻 77
圖目錄
圖1-1 雙炔基化合物聚合機制 3
圖1-2 topochemical聚合行為示意圖 3
圖1-4 聚雙炔基化合物red-form 之形成機制示意圖 6
圖1-5 red-form and blue form 的UV 吸收光譜圖 6
圖1-6金屬氧化半導體結構 8
圖1-7 場效電晶體元件結構示意圖 9
圖1-8 正型場效電晶體操作原理示意圖 10
圖1-9 正型通道與負型通道OFET 示意圖 11
圖3-1 原子力顯微鏡裝置示意圖 16
圖3-2 拉曼散射能階圖 17
圖3-3 顯微拉曼光譜分析儀裝置圖 18
圖3-4注射回抽式幫浦 18
圖3-5 液相成膜示意圖 20
圖3-6 鋁製溶劑槽與矽晶片架 20
圖4-1 溶劑測試示意圖 22
圖4-2 8C-PDA in CH2Cl2 於4X倍光學顯微鏡(左) 23
圖4-3 8C-PDA in CH2Cl2 於40X倍光學顯微鏡(右) 23
圖4-4 8C-PDA in CHCl3 於4X倍光學顯微鏡(左) 24
圖4-5 8C-PDA in CHCl3 於40X倍光學顯微鏡(右) 24
圖4-6 8C-PDA in EA 於4X倍光學顯微鏡(箭頭為吸取方向)(左) 24
圖4-7 8C-PDA in EA 於40X倍光學顯微鏡(右) 24
圖4-8 8C-PDA in EA 拉曼光譜 25
圖4-9 8C-PDA in Toluene 於4X倍光學顯微鏡(左) 25
圖4-10 8C-PDA in Toluene 於40X倍光學顯微鏡(右) 25
圖4-11 8C-PDA in Hexane 於4X倍光學顯微鏡(左) 26
圖4-12 8C-PDA in Hexane 於40X倍光學顯微鏡(右) 26
圖4-13 8C-PDA in MeOH 於40X倍光學顯微鏡(左) 27
圖4-14 8C-PDA in MeOH 於40X倍光學顯微鏡(右) 27
圖4-15 8C-PDA (10,12-pentacosadiynoic acid) 27
圖4-16 8C-PDA(5mM) on 60⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 28
圖4-17 8C-PDA(5mM) on 60⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 28
圖4-18 8C-PDA(5mM) on 45⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 28
圖4-19 8C-PDA on 45⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 29
圖4-20 8C-PDA(5mM) on 30⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 29
圖4-21 8C-PDA(5mM) on 30⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 29
圖4-22 8C-PDA(5mM) on 15⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 29
圖4-23 8C-PDA(5mM) on 15⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 29
圖4-24 8C-PDA(1mM) on 60⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 30
圖4-25 8C-PDA(1mM) on 60⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 30
圖4-26 8C-PDA(1mM) on 45⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 30
圖4-27 8C-PDA(1mM) on 45⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 30
圖4-28 8C-PDA(1mM) on 30⁰ stage於4X倍光學顯微鏡 (左) 31
圖4-29 8C-PDA(1mM) on 30⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 31
圖4-30 8C-PDA(1mM) on 15⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 31
圖4-31 8C-PDA(1mM) on 15⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 31
圖4-32 8C-PDA(0.5mM) on 60⁰ stage於4X倍光學顯微(左) 32
圖4-33 8C-PDA on 60⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 32
圖4-34 8C-PDA(0.5mM) on 45⁰ stage於4X倍光學顯微(左) 32
圖4-35 8C-PDA(0.5mM) on 45⁰ stage於40X倍光學顯微(右) 32
圖4-36 8C-PDA(0.5mM) on 30⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 33
圖4-37 8C-PDA(0.5mM)on 30⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 33
圖4-38 8C-PDA(0.5mM)on 15⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 33
圖4-39 8C-PDA(0.5mM)on15⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 33
圖4-40 8C-PDA(0.1mM) on 60⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 34
圖4-41 8C-PDA(0.1mM) on 60⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 34
圖4-42 8C-PDA(0.1mM) on 45⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 34
圖4-43 8C-PDA(0.1mM) on 45⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 34
圖4-44 8C-PDA(0.1mM) on 30⁰ stage於4X倍光學顯微鏡下(左) 35
圖4-45 8C-PDA(0.1mM) on 30⁰ stage於40X倍光學顯微鏡下(右) 35
圖4-46 8C-PDA(0.1mM) on 15⁰ stage於4X倍光學顯微鏡(左) 36
圖4-47 8C-PDA(0.1mM) on 15⁰ stage於40X倍光學顯微鏡(右) 36
圖4-48 8C-PDA於不同液相成膜條件下之表現 37
圖4-49 8C-PDA 以二聚物形式形成有機膜示意圖 38
圖4-50 8C-PDA 5mM on 60⁰原子力顯微鏡圖之一 39
圖4-51 8C-PDA 5mM on 60⁰原子力顯微鏡高度剖面圖之一 39
圖4-52 8C-PDA 5mM on 60⁰原子力顯微鏡圖之二 40
圖4-53 8C-PDA 5mM on 60⁰原子力顯微鏡高度剖面圖之二 40
圖4-54 拉曼光譜顯微鏡下偵測點 41
圖4-56 共軛長鏈與拉提方向示意圖 42
圖4-57 平行於共軛鏈的裂縫AFM圖 43
圖4-58 8C-PDA 5mM 60⁰ 於飽和EA蒸氣壓下40X倍於光學顯微鏡下 45
圖4-59 8C-PDA 5mM 60⁰ 於飽和EA蒸氣壓下拉曼光譜 45
圖4-60 8C-PDA 5mM 60⁰ 於飽和EA蒸氣壓下AFM分析 46
圖4-61 8C-PDA 5mM 45⁰於飽和EA蒸氣壓下40X倍於光學顯微鏡下(左上) 47
圖4-62 8C-PDA 5mM 45⁰ 於飽和EA蒸氣壓下AFM分析 48
圖4-63 8C-PDA 5mM 30⁰於飽和EA蒸氣壓下40X倍於光學顯微鏡下(左上) 48
圖4-64 8C-PDA 5mM 30⁰ 於飽和EA蒸氣壓下AFM分析 49
圖4-65 8C-PDA 5mM 15⁰於飽和EA蒸氣壓下40X倍於光學顯微鏡下(左上) 49
圖4-66 8C-PDA 5mM 15⁰ 於飽和EA蒸氣壓下AFM分析 49
圖4-67 n-hexacosane結構 51
圖4-68 n-hexacosane 於40X倍光學顯微鏡下(左上) 51
圖4-69 n-hexacosane AFM表面分析 51
圖4-70 15,17-dotriactontadiyne結構 52
圖4-71 15,17-dotriactontadiyne 於40X倍光學顯微鏡下 52
圖4-72 15,17-dotriactontadiyne AFM表面分析 53
圖4-73 10,12-pentacosadiynol結構 54
圖4-74 10,12-pentacosadiynol 於40X倍光學顯微鏡下 54
圖4-75 10,12-pentacosadiynol AFM表面分析 55
圖4-76 cerotic acid於40X倍光學顯微鏡下 56
圖4-77 cerotic acid AFM表面分析 57
圖4-78 酸基二聚物形成六角面示意圖 57
圖4-79 雙炔基奇偶效應示意圖 58
圖4-80 7C-PDA結構示意圖 59
圖4-81 7C-PDA 5mM 60⁰ 於40X光學顯微鏡下 59
圖4-82 7C-PDA 5mM 60⁰ AFM表面分析 60
圖4-83 8C-PDA結構示意圖 61
圖4-84 8C-PDA 5mM 60⁰ 於40X光學顯微鏡下 61
圖4-85 8C-PDA 5mM 60⁰ AFM表面分析 62
圖4-86 9C-PDA 5mM 60⁰ 於40X光學顯微鏡下 63
圖4-87 10C-PDA結構示意圖 63
圖4-88 10C-PDA 5mM 60⁰ 於40X光學顯微鏡下 64
圖4-89 10C-PDA 5mM 60⁰ AFM表面分析 64
圖4-90 11C-PDA結構示意圖 65
圖4-91 11C-PDA 5mM 60⁰ 於40X光學顯微鏡下 65
圖4-92 11C-PDA 5mM 60⁰ AFM表面分析 66
圖4-93 雙炔基衍生物奇偶效應對照圖 67
圖4-94 雙炔基衍生物奇偶效應示意圖 68
圖4-95 8C-PDA 2mM 15⁰ stage於光學顯微鏡下 70
圖4-96 8C-PDA 1mM 15⁰ stage 拉曼光譜分析 70
圖4-97 8C-PDA 1mM 15⁰ stage AFM表面分析 71
圖4-98 場效電晶體元件圖 72
圖4-99 73
圖4-100 73
圖4-101 74
圖4-102 74
圖4-103 75

參考文獻

參考文獻
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指導教授

陶雨台、陳銘洲
(Yu-Tai Tao、Ming-Chou Chen)

審核日期

2011-7-26

推文