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有机薄膜晶体管聚合物绝缘层材料的设计、制备及性能研究

作　者: 张春裕
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介电常数有机-无机杂化材料共聚物聚氨酯
分类号: TN321.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

有机薄膜场效应晶体管(Organic Thin Film Transistors, OTFTs)是一种以有机小分子或者聚合物薄膜作为有源层，并将其沉积到绝缘层衬底上，具有逻辑开关特性的场效应晶体管。与传统的无机场效应晶体管相比，OTFTs具有以下优点：第一、有机材料来源广泛，而且可以通过调节有机小分子和聚合物材料的分子结构来改变材料的性能，以满足实际的需求；第二、OTFTs的加工工艺相对简单，对生产设备、加工条件和加工环境要求较低，因此生产成本低廉；第三、OTFTs可采用低温沉积法或者溶液成膜法进行加工，不仅加工速度快，而且还可以制备大面积的器件。目前许多研究发现，OTFTs的载流子主要在半导体层与绝缘层界面之间2-6个单分子层传输，这表明绝缘层的性能将对半导体层的结构产生直接影响，进而影响器件的综合性能。因此，研制性能优越的绝缘层材料对OTFTs的发展具有重要意义。根据以上思路，本论文分别设计、制备了三种可作为OTFTs绝缘层的聚合物材料，并对其性能进行了研究。首先，我们通过原位sol-gel的方法以共价键的方式将无机ZrO2纳米粒子引入到可紫外光交联的聚氨酯中得到有机-无机杂化材料，该材料不仅能通过溶液旋涂的方式进行加工，简化了器件的制备工艺，而且紫外光固化后的材料显示出良好的抗溶剂性和热稳定性。此外，可以通过调节杂化材料中无机ZrO2纳米粒子的含量来调节杂化材料的介电常数、电容及其它电学性质。随后，基于含极性基团的聚合物具有较高的介电常数，我们通过简单的合成方法在含氰基的苯环上引入可共聚的双键，并利用自由基聚合的方法将该单体成功引入到共聚物中，合成了四种含有不同配比，且可以热交联的共聚物材料，并首次将其用于OTFTs的制备。该材料同样可以采用溶液加工的方式制备OTFTs，且通过加热即可固化，大大降低了OTFTs的制备成本。此外，我们还可以通过调节聚合物中含氰基的单体的含量来调整材料的介电常数和电容，以满足OTFTs的不同制备需求。最后，为了进一步提高OTFTs的迁移率，我们以光敏聚氨酯为绝缘层材料，通过“点击”化学的手段用含有三联苯结构的化合物对其表面进行修饰，利用三联苯和半导体（六联苯）具有相似结构的特点，诱导半导体结晶，同时增加绝缘层与半导体层的相容性与分子间作用力。此外，我们还可以通过调节聚氨酯中三联苯的含量来调节半导体的晶体形貌和粒径，从而提高器件的综合性能。

全文目录

内容提要  4-8
第一章绪论  8-56
  1.1 有机薄膜晶体管的发展历程  8-11
  1.2 OTFTs 的基本结构  11-12
  1.3 OTFTs 的半导体材料  12-20
    1.3.1 p 型有机半导体材料  12-17
    1.3.2 n 型有机半导体材料  17-20
  1.4 OTFTs 绝缘层材料  20-31
    1.4.1 无机绝缘层材料  22-26
    1.4.2 自组装单层和自组装多层绝缘层材料  26-28
    1.4.3 聚合物绝缘层  28-31
  1.5 OTFTs 工作原理  31-34
    1.5.1 场效应晶体管的工作原理  31-32
    1.5.2 OTFTS 的工作原理  32-34
  1.6 OTFTs 的器件特性曲线及性能参数  34-39
    1.6.1 转移特性曲线和输出特性曲线  34-37
    1.6.2 OTFTs 的基本参数  37-39
  1.7 OTFTs 的应用  39
  1.8 本课题的设计思路及研究内容  39-41
  参考文献  41-56
第二章可直接图案化的有机-无机杂化绝缘层材料在有机薄膜晶体管的应用  56-76
  2.1 实验部分  57-61
    2.1.1 实验药品  57
    2.1.2 测试仪器  57-58
    2.1.3 实验过程  58-61
  2.2 结果与讨论  61-69
    2.2.1 2,2-二羟甲基肉桂酸丁酯的表征  61-63
    2.2.2 侧链含硅烷结构的光敏聚氨酯（PSPU）的表征  63-64
    2.2.3 有机-无机杂化材料的热性能  64-65
    2.2.4 有机-无机杂化材料的表面形貌  65-66
    2.2.5 有机-无机杂化材料的电性能  66-67
    2.2.6 薄膜晶体管静态特性  67-69
  2.3 本章小结  69-71
  参考文献  71-76
第三章新型高介电常数、可热交联共聚物单层绝缘层材料的制备及在有机薄膜晶体管上的应用  76-96
  3.1 实验部分  77-82
    3.1.1 实验药品  77
    3.1.2 测试仪器  77-78
    3.1.3 实验过程  78-82
  3.2 结果与讨论  82-92
    3.2.1 N-(3，4-邻苯二甲腈)甲基丙烯酰胺的表征  82-83
    3.2.2 N-(4-苯甲腈)甲基丙烯酰胺的表征  83
    3.2.3 共聚物(3,4-DCMA)-co-HEMA-co-GMA 的表征  83-87
    3.2.4 共聚物的电性能  87-92
  3.3 本章小结  92-93
  参考文献  93-96
第四章利用聚氨酯侧链的三联苯结构诱导六联苯结晶及在有机薄膜晶体管上的应用  96-116
  4.1 实验部分  97-103
    4.1.1 实验药品  97-98
    4.1.2 测试仪器  98
    4.1.3 实验过程  98-103
  4.2 结果与讨论  103-110
    4.2.1 三联苯乙醇的表征  103-104
    4.2.2 丙炔酸三联苯乙酯的表征  104
    4.2.3 2,2-bis(azidomethyl) propane-1,3-diol 的表征  104-105
    4.2.4 主链上含有叠氮基团的光敏聚氨酯的表征  105-106
    4.2.5 侧链上含有三联苯基团的光敏聚氨酯的表征  106-107
    4.2.6 侧链上含有三联苯基团的光敏聚氨酯的电性能  107-110
  4.3 本章小结  110-112
  参考文献  112-116
致谢  116-117
作者简历  117-118
攻读博士学位期间发表的论文  118-119
中文摘要  119-121
Abstract  121-123

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