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有机薄膜晶体管绝缘层材料的合成、表征与应用

作　者: 张学辉
导　师: 崔占臣；闫东航
学　校: 吉林大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 有机薄膜晶体管绝缘层材料光交联共聚物聚氨酯有机-无机杂化聚酰亚胺
分类号: TN321.5
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

有机薄膜晶体管是采用有机半导体作为有源层的一种具有逻辑开关特性的场效应器件。它的基本结构和功能与传统的无机薄膜晶体管(TFT)基本相同,与无机薄膜晶体管相比,有机薄膜晶体管具有以下优点:(1)有机材料来源广泛,质轻;(2)制作工艺简单(加工温度低,可溶液加工等),成本低;(3)低弹性模量等。这些优点使得有机薄膜晶体管能够满足电子工业低成本、大面积柔性的发展要求。在有机薄膜晶体管中,绝缘层是有机薄膜晶体管的重要组成部分,有机薄膜晶体管的电荷主要是在临近绝缘层一侧的有机半导体层(2-6个分子层)中传输,因而绝缘层材料性能的好坏影响着整个晶体管的性能。所以研制性能优异的绝缘层材料对晶体管的发展就有重大意义。本论文正是基于这一思路,从传统的聚合物为出发点,合成了可直接光写入的新型聚甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸肉桂酸乙酯的共聚物,并测试了以此为有机薄膜晶体管的绝缘层材料的性能;在此基础上,我们设计合成了可直接光写入的聚氨酯,紫外交联后,聚氨酯薄膜形成三维网状结构,具有良好的抗溶剂性,这样就放宽了其上有机半导体薄膜的制备工艺,而且交联后的薄膜具有优良的绝缘性能,我们首次将其应用于有机薄膜晶体管绝缘层材料;为了提高有机聚合物的介电常数及电容,利用溶胶-凝胶技术合成了原位生成二氧化钛或者二氧化锆纳米粒子的杂化材料,通过调节无机部分的含量,实现有机聚合物介电常数及电容可调,有效降低操作电压;最后利用两步溶液聚合的方式制备了光敏表面修饰的聚酰亚胺,该聚酰亚胺具有优良的溶解性能及感光性。通过引入顶端带有联苯结构的长链,降低了聚酰亚胺薄膜的表面能,使得有机半导体与绝缘层之间具有更好的兼容性,从而提高了晶体管的综合性能。

全文目录

摘要  4-9
第一章绪论  9-37
  1.1 有机薄膜晶体管的发展历史  9-10
  1.2 有机薄膜晶体管的结构  10-12
  1.3 有机薄膜晶体管的主要材料  12-24
    1.3.1 有机半导体材料  12-15
    1.3.2 有机薄膜晶体管绝缘层材料  15-23
      1.3.2.1 有机绝缘层材料  15-19
      1.3.2.2 无机绝缘层材料  19-23
    1.3.3 电极材料  23-24
  1.4 薄膜晶体管的工作原理  24-30
    1.4.1 场效应晶体管的工作原理  24-25
    1.4.2 有机薄膜晶体管的工作原理  25-30
  1.5 有机薄膜晶体管的性能表征  30-31
    1.5.1 载流子迁移率  30
    1.5.2 阀值电压  30-31
    1.5.3 开关电流比  31
  1.6 有机薄膜晶体管的应用  31-35
    1.6.1 有机薄膜晶体管在有机发光显示方面的应用  32-33
    1.6.2 有机薄膜晶体管在液晶显示方面的应用  33-34
    1.6.3 有机薄膜晶体管在传感器中的应用  34-35
    1.6.4 有机薄膜晶体管在其他方面的应用  35
  1.7 本课题研究思路与主要内容  35-37
第二章可直接光写入的PMMA型共聚物的合成、表征及应用  37-53
  2.1 可直接光写入甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸肉桂酸乙酯共聚物的合成与表征  37-45
    2.1.1 实验部分  37-40
      2.1.1.1 药品与仪器  37-38
      2.1.1.2 实验过程  38-40
    2.1.2 结果与讨论  40-45
      2.1.2.1 甲基丙烯酸肉桂酸乙酯与共聚物结构表征  40-42
      2.1.2.2 共聚物膜性能  42-45
  2.2 有机薄膜晶体管的制备与测试  45-52
    2.2.1 有机薄膜晶体管的制备  45-47
      2.2.1.1 衬底的清洗  45-46
      2.2.1.2 金属-绝缘层-金属器件（MIM）的制备  46
      2.2.1.3 酞菁氧钒（VOPc）有机薄膜晶体管的制备  46-47
    2.2.2 有机薄膜晶体管的的性能测试  47-52
      2.2.2.1 聚合物膜交联后绝缘性质的表征  47-49
      2.2.2.2 薄膜晶体管静态特性  49-52
  2.3 本章小结  52-53
第三章可直接光写入的聚氨酯的合成及其在有机薄膜晶体管绝缘层材料的应用  53-67
  3.1 实验部分  53-57
    3.1.1 实验药品  53-54
    3.1.2 测试仪器  54
    3.1.3 实验过程  54-57
      3.1.3.1 2, 2-二羟甲基肉桂酸丁酯的合成  54
      3.1.3.2 光敏聚氨酯的合成  54-55
      3.1.3.3 聚氨酯薄膜制备  55
      3.1.3.4 硅片的处理  55-56
      3.1.3.5 光刻显影  56
      3.1.3.6 金属-绝缘层-金属器件的制备  56
      3.1.3.7 酞菁氧钒有机薄膜晶体管的制备  56-57
  3.2 结果与讨论  57-66
    3.2.1 2, 2-二羟甲基肉桂酸丁酯结构表征  57-58
    3.2.2 光敏聚氨酯的结构表征  58-60
    3.2.3 光敏聚氨酯热性能分析  60-61
    3.2.4 聚氨酯膜性能  61-64
      3.2.4.1 聚氨酯膜的表面形貌  61-62
      3.2.4.2 聚合物膜的电学性质  62-64
    3.2.5 有机薄膜晶体静态特征  64-66
  3.3 本章小结  66-67
第四章可交联型有机-无机杂化材料的合成及在有机薄膜晶体管绝缘层材料的应用  67-81
  4.1 实验部分  68-71
    4.1.1 实验药品  68
    4.1.2 测试仪器  68
    4.1.3 侧链带硅氧烷结构的光敏聚氨酯（PSPU）的合成  68-70
    4.1.4 TiO_2(ZrO_2)-聚氨酯杂化材料的制备  70
    4.1.5 金属-绝缘层-金属器件的制备  70
    4.1.6 有机薄膜晶体管的制备  70-71
  4.2 结果与讨论  71-80
    4.2.1 侧链带硅氧烷结构的光敏聚氨酯（PSPU）的表征  71-72
    4.2.2 杂化材料的热性能  72-73
    4.2.3 杂化材料薄膜的表面形貌  73-76
    4.2.4 杂化材料的电学性能  76-78
    4.2.5 薄膜晶体管静态特性  78-80
  4.3 本章小结  80-81
第五章可溶性表面修饰光敏聚酰亚胺的合成与表征  81-102
  5.1 光交联可溶性聚酰亚胺的合成与表征  81-94
    5.1.1 实验部分  81-85
      5.1.1.1 药品与仪器  81-82
      5.1.1.2 实验过程  82-85
    5.1.2 结果与讨论  85-94
      5.1.2.1 2, 4-二叔丁基氧羰基亚胺基-1-苯氧基乙醇结构表征  85-86
      5.1.2.2 2, 4-二叔丁基氧羰基亚胺基-1-苯氧基乙氧基甲基丙烯酸酯结构表征  86-88
      5.1.2.3 2, 4-二胺基-1-苯氧基乙氧基甲基丙烯酸酯结构表征  88-90
      5.1.2.4 光敏聚酰亚胺的结构表征  90-92
      5.1.2.5 光敏聚酰亚胺薄膜光刻显影  92-93
      5.1.2.6 薄膜晶体管静态特性  93-94
  5.2 光敏的表面修饰的聚酰亚胺的合成与表征  94-101
    5.2.1 实验部分  94-95
      5.2.1.1 实验药品  94
      5.2.1.2 实验过程  94-95
    5.2.2 结果与讨论  95-101
      5.2.2.1 十二酸单-4-联苯甲酯的结构表征  95-96
      5.2.2.2 1-十二酸-4-联苯甲酯-12-十二酸-2, 4-二叔丁基氧羰基亚胺基-1-苯氧基乙酯的表征  96-97
      5.2.2.3 表面修饰的聚酰亚胺的结构表征  97-98
      5.2.2.4 薄膜晶体管静态特性  98-101
  5.3 本章小结  101-102
参考文献  102-130
作者简历  130-131
攻读博士学位期间发表论文  131-132
致谢  132-133
详细摘要  133-136
英文摘要  136-139

有机薄膜晶体管绝缘层材料的合成、表征与应用

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