《可印刷的柔性有機薄膜電晶體的複合型介電層研究》是依託中山大學，由劉川擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：可印刷的柔性有機薄膜電晶體的複合型介電層研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉川
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
有機薄膜電晶體（OTFT）實現低操作電壓、高電流密度、高可撓性、高穩定性的關鍵之一在於介電質層的性質。本項目研究半導體-介電質界面的載流子傳輸關鍵機理，開發高性能複合型介電質層的材料體系，並研發溶液製備方法。基礎研究部分，首先研究單種高介電常數（high-k）在可印刷半導體的OTFT中的載流子輸運性質；然後選取合適的低介電常數的電介質，將體電容和界面極化子解耦；最後由OTFT的遷移率變化，得出完整的模型機制。材料體系部分，針對新型的高性能有機半導體，找到優選的複合介電層體系。製備方法部分，用溶液法形成複合雙層結構，同時實現高體電容和低界面極化環境，提高載流子濃度和傳輸性質。介電質包括無機-有機複合型，有機-有機複合型和電解質-有機複合型。本項目將首次深入的研究複合型介電層在印刷柔性TFT中的機理，並首次使用溶液的自組織相分離技術的製備複合型介電層。對基礎科學和套用技術都有重要價值。
結題摘要
介電層的性質是決定有機薄膜電晶體OTFT性能的關鍵之一，本項目研究半導體-介電質界面的載流子傳輸關鍵機理，開發高性能複合型介電質層的材料體系和製備方法，推進了低操作電壓、高器件遷移率、高穩定性有機電晶體的實現。 在機理研究中，首先研究了高介電常數介電層對有機半導體帶尾態的展寬及其對器件遷移率的硬性。然後建立有機-無機複合型介電層OTFT的傳輸理論模型，描述了介電層介電常數變化帶來的載流子的態密度和遷移率對柵壓的依賴關係變化。改進了遷移率邊模型，引入非局域化係數，系統描述了多種微觀傳輸的轉變，揭示了極化干擾對載流子態密度的展寬及其對傳輸效率的降低機理。並研究了界面缺陷態導致的注入效率降低的理論，以及導致的OTFT非理想電流電壓特性表現及對遷移率提取的影響（論文1-3）。模型理論被美國T.Q.Nguyen教授、德國H.Klauk教授等引用。 在有機-無機複合介電層的實驗研究中，利用high-k¬氧化物材料（氧化鋯、氧化釔）產生較高的載流子濃度。利用溶膠凝膠法來製備薄膜，最佳化材料成分，表征薄膜表面平整度和內部離子價鍵，獲得連續緻密均勻的氧化物薄膜。實現了溶液法製備的電容值高、絕緣性能好的介電層，初步實現了低操作電壓（<5V）、高遷移率（>2 cm2/Vs）、高穩定性（回線掃描閾值電壓漂移0.01V）的OTFT器件（論文4、5）。該工作獲2017年英國物理學會出版社青年人員研究獎。 在有機-有機複合介電層的實驗研究中，發現可利用自組織相分離過程，將混合的high-k的P(VDF-TrFE)和low-k的PMMA在溶液旋塗過程中的自動分層，產生高-低介電常數雙層結構。該結構有效地減少了界面偶極障礙，同時提高了p型和n型的載流子濃度和遷移率，並發現能夠套用於多種有機聚合物半導體當中。而high-k材料中偶極矩的緩慢積累和low-k介電層中的緩慢缺陷捕捉，可以相互抵消，從而提高了OTFT的長時工作穩定性（連續工作2000秒電流變化小於20%）（論文6）。該工作給高k電介質的利用提供了一種方法，獲得一個高遷移率和低操作電壓的場效應電晶體器件。 故總體完成研究計畫內容，獲得了複合介電層的兩種主要技術方案，得到了部分同行的引用和肯定。
