基于两层聚合物栅绝缘层的高性能柔性OFETs机械柔韧性及其热稳定性的研究

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在过去的近三十年以来,柔性有机聚合物电子引起了人们非常大的兴趣,这是因为它们被广泛应用于很多方面,比如柔性射频标签,柔性显示,智能卡,成本相对较低的传感器,电子皮肤等。柔性有机场效应晶体管之所以引起人们极大的兴趣,因为它具有很多优势,例如它可以通过低温加工制备,可以进行大面积生产,制备成本相对廉价,可以进行柔性机械弯曲,并且与柔性衬底相兼容等。然而近几年材料学方面的研究人员把主要研究精力置于有机半导体层的研究上,为了获取载流子迁移率较高的器件,因此对于栅绝缘层材料的研究就相对较少。但是,想要采用低温溶液加工的方法制备柔性OFETs器件,并且想要获得较高的性能,这在很大程度上取决于器件的栅绝缘层。并且,对栅绝缘层的改善和提高有利于有机半导体电子器件实现商业化的进步。有研究表明,采用高k金属氧化物材料作为栅绝缘层制备的OFETs器件可以获取较高的性能,然而,较之于聚合物材料,金属氧化物材料作为栅绝缘层时与柔性衬底的兼容性不太好,并且金属氧化物绝缘层与有机半导体层的接触界面不是很好。采用聚合物材料作为栅绝缘层时,就能提供一个与有机半导体层相接触的良好的界面,这是因为一般聚合物材料作为栅绝缘层具有非极性的疏水的表面,良好的界面性质有利于器件性能的提高,得到高的迁移率。人们希望可以利用低温加工的方法制备器件,以实现柔性OFETs器件的各种优势。从这方面来说,聚合物材料很适合作为柔性OFETs的栅绝缘层,因为它可以通过低温溶液加工旋涂的方法实现。本论文的工作中,以PET作为衬底材料,采用两层聚合物材料作为栅绝缘层,分别是PMMA和交联PVP-HDA,该器件得到了较高的载流子迁移率。选用并五苯作为有机半导体层,一方面因为其具有较高的迁移率另一方面它是一种被广泛应用的有机半导体材料。该器件采用的是底栅式结构,测得的器件性能其载流子迁移率平均可以达到1.5cm2V-1s-1,阈值电压在-20V左右,电流开关比在105的量级上。并且器件的载流子迁移率最高可以达到2 cm2V-1s-1以上,以上的性能参数甚至能超过一些刚性OFETs器件的性能。所制备的器件在没有经过任何封装保护的情况下,进行了不同情况的机械弯曲测试以及热稳定性测试。本论文从以下几个方面讨论了机械弯曲性,包括不同的弯曲次数,不同的弯曲半径分别是5mm和3.5mm,不同的弯曲方向包括平行沟道弯曲和垂直沟道弯曲。在热稳定性的研究中,选用从40℃到140℃的退火温度在烘箱中对器件进行退火,以20℃为温度的间隔梯度,每个温度退火2小时。结果显示器件具有良好的热稳定性。为了分析相关器件的性能参数,本论文也进行了对有机半导体并五苯层的形态结构进行表征,包括AFM表征和XRD表征等。
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