有機半導體材料三併環噻吩衍生物之開發與其薄膜、單晶場效電晶體元件製備與分析

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化學學系

論文名稱

有機半導體材料三併環噻吩衍生物之開發與其薄膜、單晶場效電晶體元件製備與分析

相關論文

★ 以有機磷酸修飾電極表面功函數及對有機發光元件效率影響研究	★ 雙炔基分子於不同基材表面薄膜結構及其聚合反應性研究與其場效電晶體試製
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摘要(中)

本篇以文獻中的有機小分子2,6二苯基二噻吩併[3,2-b:2’,3’-d]噻吩(2,6-diphenyldithieno[3,2-b:2’,3’-d] thiophene ; DP-DTT;化合物 1)出發，設計並開發出以三併環噻吩(DTT)與雙三併環噻吩(BDT)作為中心結構的2-五氟苯基-6-苯基二噻吩併[3,2-b:2’,3’-d]噻吩(2-pentafluorophenyl-6-phenyldithieno[3,2-b:2’,3’-d]thiophene;FPP-DTT;化合物2)、2,6-二苯基雙二噻吩併[3,2-b:2’,3’-d]噻吩[2,6-diphenylbis(dithieno [3,2-b:2’,3’-d]thiophene) ; DP-BDT;化合物 3]、2-五氟苯基-6-苯基二噻吩併[3,2-b:2’,3’-d]噻吩(2-pentafluoro phenyl-6-phenylbis(dithieno [3,2-b:2’,3’-d]thiophene);FPP-BDT; 化合物4)，將此四種材料經由物理氣相沈積法(physical vapor transport, PVT)分別養成單晶，經由單晶繞射實驗解得其立體結構後，製備成單晶及薄膜場效電晶體元件。利用單晶場效電晶體元件討論晶體結構與分子內在(intrinsic)電荷傳輸性質的關係，同時探討與薄膜表面形貌對於電荷傳輸的影響。
化合物1與化合物3的單晶結構為魚骨狀排列方式，結晶成片狀，化合物2與化合物4則為面對面排列，結晶成針狀，其中化合物2 存在著最短的分子間距離3.756Å，其單晶場效電晶體元件電洞遷移率(hole mobility, µ)高達0.741cm2/V-s，開關電流比約為105，化合物 4電洞遷移率達0.725 cm2/V-s。化合物1與化合物3測得的最高載子遷移率分別為0.359 cm2/V-s、 0.405 cm2/V-s。
將以上四個有機小分子材料分別製成有機薄膜元件，在基板為25oC的條件下觀察薄膜表面形貌可發現化合物1在薄膜表面結晶性良好，為片狀結晶，載子遷移率可達0.202 cm2/V-s，化合物2製成元件表面形貌為長條狀結晶，載子遷移率可達0.134 cm2/V-s。另外也將蒸鍍基板升溫，觀察基板溫度對於薄膜表面晶粒大小提升與載子遷移率的影響。

摘要(英)

Based on the reported core structure of dithieno[3,2-b:2’,3’-d] thiophene (DTT), a series of organic semiconductor molecules was designed and synthesized, which are 2,6-diphenyldithieno[3,2-b:2’,3’-d] thiophene (DP-DTT,compound1), 2-pentafluorophenyl-6-phenyl- dithieno[3,2-b:2’,3’-d]thiophene(FPP-DTT, compound 2) 2,6-diphenyl- bis(dithieno [3,2-b:2’,3’-d]thiophene (DP-BDT, compound 3), and 2-pentafluorophenyl-6-phenylbis(dithieno[3,2-b:2’,3’-d]thiophene (FPP- BDT, compound 4). Single crystals for each compound were prepared by physical vapor transport (PVT) method in a home-made reactor, and were used for single crystal field-effect transistor (SCFET) devices fabrication in order to study their intrinsic charge transport behavior. Single crystals of compound 1 and compound 3 exhibit herring-bone structure, while compound 2 and compound 4 exhibit face-to-face π-π stacking. Among these, compound 2 exhibits the shortest intermolecular distance of 3.756Å, and a highest hole mobility of 0.741 cm2/V-s for SCFET, as well as a high current on-off ratio of 105. The hole mobilities for SCFET of compound 4, compound 1, and compound 3 were 0.725 cm2/V-s, 0.359 cm2/V-s, and 0.405 cm2/V-s, respectively. Meanwhile, organic thin-film transistor (OTFT) devices for each compound were also prepared in order to explore the correlation between the thin-film morphology and charge carrier mobility. With vacuum thermal evaporation at ambient substrate temperature of 25oC, compound 1 showed good crystallinity with 2-dimentional film morphology, as well as a high mobility of 0.202 cm2/V-s. Compound 2 exhibited 1-dimentional crystal structure, and hole mobility of 0.134 cm2/V-s for the film transistor. Substrate temperature was also raised during the evaporation process in order to study the effect of temperature on film morphology.

關鍵字(中)

★ 有機半導體材料
★ 場效電晶體
★ 三併環噻吩

關鍵字(英)

★ OFET
★ thiophene
★ DTT

論文目次

第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 場效電晶體概論 3
1-3 有機場效電晶體之元件結構 4
1-4 有機場效電晶體之運作原理 6
1-5 有機半導體電荷傳遞機制 8
1-6 有機半導體分子排列模式 9
1-7 有機薄膜場效電晶體元件(OTFT)的製備方式 12
1-7-1 氣相沉積 12
1-7-2 液相沉積 13
1-8 有機單晶場效電晶體 14
1-8-1 有機化合物單晶養成辦法 15
1-8-2 有機單晶場效電晶體元件 16
1-9 有機半導體材料介紹與探討 17
1-9-1 P-type 小分子有機半導體材料 [傳遞電洞] 17
1-9-2 N-type 有機半導體材料[傳導電子] 20
1-9-3 Ambipolar 有機半導體材料 21
1-10 有機自組裝單層膜 22
1-10-1 有機自組裝單層膜之原理與製備方法 23
1-10-2 有機自組裝單層膜結構 23
1-10-3 烷基三氯矽烷(alkyltrichlorosilane) 25
第二章研究動機與目的 26
第三章實驗部分 30
3-1 實驗藥品 30
3-1-1 實驗所用之化學藥品 30
3-1-2 實驗所用之溶劑除水方式 31
3-2 實驗儀器 32
3-2-1 核磁共振光譜儀(Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 32
3-2-2 高解析質譜儀(High Resolution Mass Spectrometer) 32
3-2-3 紫外光 / 可見光吸收光譜(Ultraviolet / Visible Spectro -Photometer) 33
3-2-4 熱重分析儀(Thermal Gravimetric Analyer, TGA) 33
3-2-5 電化學裝置(Electrochemical Analyzer / Work- station) 33
3-2-6 真空蒸鍍機 (Vacuum Deposition System) 34
3-2-7 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy) 34
3-2-8 接觸角測量儀(Water Contact Angle Measurement) 36
3-2-9 X光繞射儀 (Powder X-ray Diffraction) 37
3-2-10 橢圓旋光儀 (Ellipsometery) 37
3-2-11 低能量表面功函數量測儀AC2 (photoelectron spectrometer Modol AC2) 37
3-2-12 參數分析儀 (Semiconductor Parameter Analyzer) 38
3-3 合成步驟 41
3-3-1 Dithieno[3,2-b:2’,3’-d]thiophene (DTT)之合成反應 41
3-3-2 Dithieno[3,2-b:2’,3’-d]thiophene (DTT) one pot合成反應 45
3-3-3 Dithieno[3,2-b:2’,3’-d]thiophene (DTT)衍生物之合成反應 48
3-3-4 2-pentafluorophenyl-6-phenyldithieno-[3,2-b:2’,3’-d]
thiophene (化合物 2 )之合成 52
3-3-5 2,8-diphenyl-bisdithieno[3,2-b:2’,3’-d]-thiophene (化合物 3 )之合成 53
3-3-6 2-pentafluorophenyl-8-phenyl-bisdithieno[3,2-b:2’,3’-d] thiophene(化合物 4 )之合成 54
3-4 有機薄膜場效電晶體(OTFT)元件製作 55
3-4-1 矽晶片基材製備 55
3-4-2 自組裝單層膜製備 55
3-4-3 刷膜自組裝單層膜 56
3-4-4 有機薄膜蒸鍍 56
3-4-5 電極之製備 56
3-5 有機單晶場效電晶體元件製作 57
3-5-1 單晶材料養成 57
3-5-2 有機單晶元件的製程 58
第四章結果與討論 60
4-1 有機半導體材料性質探討 60
4-1-1 UV 光學性質探討 60
4-1-2 有機半導體材料的HOMO與LUMO能階 61
4-1-3 有機半導體材料之熱穩定性分析 62
4-2 有機半導體晶體材料與單晶場效電晶體元件探討 64
4-2-1 晶體養成 64
4-2-2 單晶場效電晶體元件探討 68
4-2-3 單晶場效電晶體元件其材料晶體結構與載子遷移率之關係 68
4-3 有機半導體材料製成有機薄膜電晶體元件探討 72
4-3-1 自組裝單層膜之橢圓旋光儀與接觸角的量測 72
4-3-2 有機薄膜電晶體之AFM morphology 74
4-3-3 有機薄膜元件X-ray 繞射圖 80
4-3-4 有機薄膜場效電晶體元件之電性量測 83
4-3-5 有機薄膜場效電晶體基板升溫實驗 87
4-3-5-1 基板溫度對於有機薄膜 morphology的影響 87
4-3-5-2 基板溫度對於有機薄膜XRD-intensity的影響 89
4-3-5-3 基板溫度對於有機薄膜電晶體載子遷移率的影響 90
第五章結論 92
參考文獻 94

參考文獻

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指導教授

陶雨臺(Yu-Tai Tao)

審核日期

2013-7-22

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