酞菁单晶微纳材料与微纳光电器件的研究.pdf

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1、附件3：作者姓名：汤庆鑫论文题目：酞菁单晶微纳材料与微纳光电器件的研究作者简介：：汤庆鑫，男，1977年11月出生，2004年9月师从于中国科学院化学研究所胡文平教授，于2007年7月获博士学位。中文摘要有机半导体材料具有质轻、价廉、柔性、制备工艺简单、种类繁多、性能各异以及分子构形和材料性能可人为设计等优点而受到人们的重视，被用于场效应晶体管、发光二极管和太阳能电池等分子电子学领域的研究中，取得了一系列研究进展。其中，有机场效应晶体管是有机半导体应用的一个重要方面，能够被用于高稳定性、低能耗的数字互补对称电路，而且其具有的柔性特征使之可以被用作下一代柔性显示和照明设备等的驱

2、动电路，具有广阔的应用前景。传统的有机场效应晶体管多采用有机薄膜作为半导体层传输电荷，但是有机薄膜中存在大量晶界和无序缺陷，这些缺陷在电荷传输时很容易束缚和散射电荷，降低器件性能。有机单晶中分子高度有序排列，不存在晶界和无序缺陷，能够有效提高器件的性能，是获得高性能光电器件的最佳选择之一，同时还能够反映材料本征性质，近年来受到人们的广泛关注。然而，有机晶体通常难于长大，多数以微纳晶的形式存在，因此，如果能直接在微纳晶的基础上构筑器件，开展研究，不仅能克服有机单晶难于长大的缺点，实现对材料的高效表征，同时也必将促进有机晶体和微纳光电子器件的融合，推动纳米分子电子学的发展。酞菁（

3、Pcs）类材料是目前最稳定的有机半导体之一，不仅具有良好的化学和热稳定性，同时具有很好的光电性能，在有机光电材料的研究中一直备受关注。本论文以酞菁材料为代表，开展了有机单晶微纳材料与微纳光电子器件的研究。主要内容如下：1.发展了一种普遍适用于有机微纳单晶制备的方法，成功获得了酞菁铜（CuPc）和氟代酞菁铜（F16CuPc）的单晶微/纳米带。采用温区变化相对剧烈、梯度可良好控制的两段控温管式电阻炉对CuPc和F16CuPc进行物理气相输运生长，成功获得了宽几十纳米到几微米，长几十微米的一维单晶微纳米带。这种方法具有良好的普适性，能够将其他多种有机半导体材料制备成单晶微纳结构。使

4、用高精度手动机械探针台实现了对CuPc微纳单晶带的操作，将单晶带精确移动到目标衬底上，使带与衬底表面良好贴和，为下一步电极沉积做好准备。利用开发的多次移动金丝掩模法，实现了无损真空镀膜蒸镀电极，成功制备了低阈值电2压(-3V)、高迁移率(0.2cm/Vs)的有机单晶微纳器件。2.机械移动有机单晶的过程中容易损伤晶体表面，降低器件性能，如果能在绝缘层表面原位生长有机单晶就能够有效克服这一问题。在先前物理气相输运生长有机半导体微纳结构的基础上，在沉积衬底上预先制备晶核，诱导CuPc纳米带的生长，获得了沿衬底表面平贴生长的单根CuPc纳米带和构成交叉、平行等多种构形的CuPc纳米带

5、。结合多次移动金丝掩模板法，直接将原位贴和于衬底表面的纳米带制备成器件，获得的器件具有更低的阈值电压(<-0.5V)和更高的空32穴迁移率(0.4cm/Vs)。3.现代数字电路中，人们将n型与p型有机半导体结合在一起制备出互补对称电路作为结构单元，使电路具有高稳定性和高抗干扰能力，同时电路功耗很低。这就要求在分子电子学中p型和n型有机半导体均衡发展。但是，空气中稳定的有机半导体绝大多数为p型，所见报道的空气中稳定的n型有机半导体仅有寥寥几种。F16CuPc是目前所见报道的少有的几种空气中稳定的n型有机半导体材料之一，并且其分子结构与CuPc非常类似，可能获得与CuPc相似的微

6、纳单晶和器件性能。因此，在较系统地研究了p型有机半导体CuPc的单晶微纳结构和器件之后，又开展了F16CuPc的研究。用与CuPc相同的生长工艺可以将F16CuPc制备成类似的单晶微纳结构。结合多次移动金丝掩模板法，可以在F16CuPc单晶微纳米带的两端沉积上非对称的金银薄膜作为源漏电极，使电极的功函和F16CuPc的最低未占据分子轨道(LUMO)能级形成台阶状结构，从而有利于电荷的注入和传输。实验结果证明，这种器件结构能够获得比对称电极构形器件高一个量级的2场效应迁移率，达到0.2cm/Vs，是当时所见报道的这种材料场效应迁移率的最高值。4.非对称电极F16CuPc单晶微纳

7、米带场效应晶体管除了具有良好的场效应性能之外，还具有良好的光响应性能。当在器件源漏电极上加上一个固定电压，将半导体导电沟道周期性地暴露在白光照射下，器件的输出电流随光照的开关发生周期性的变化，说明器件可以作为光开关工作。当固定栅极电压不变，在不同的光照强度下测试器件输出电流与源漏电压间的关系，获得的曲线非常类似于常规场效应晶体管的输出曲线；当固定源漏电压不变，测试在不同栅压情况下器件输出电流与入射光强度间的关系时，获得的曲线也非常类似于常规耗尽型场效应晶体管的输出曲线。这就说明，光照强度可以作为源、漏、