有机场效应晶体管-2014

有机场效应晶体管：材料设计思路
• 大的π-共轭分子 • 平面结构 • 强的ππ 相互作用 • 易结晶
常见分子堆积结构
鱼骨状堆积
层状堆积
有机场效应晶体管：高分子材料
Polythiophene
有机场效应晶体管：p型小分子材料
p型稠环芳香烃
单键衍生p型稠环芳香烃
不饱和键衍生p型稠环芳香烃
有机场效应晶体管：p型小分子材料
8.0x10 6.0x10 4.0x10 2.0x10 0.0 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 Gate voltage (V) -2.0
-4
-1.0x10 -8.0x10 -6.0x10 -4.0x10 -2.0x10
10 10 10 10
-8
-4
-0.8 V
-9
-4
-0.6 V -0.4 V -0.2 V 0V
On/off ratio 103105 102105 102103 -
Grain sizes (μm2) 0.3 × 0.6 0.8 × 1.0 0.8 × 2.5 -
J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 13281
小分子TFT材料：分子设计
并三噻吩衍生物
小分子TFT材料：输出曲线
＋ ＋
＋ ＋
＋ ＋
＋
＋
‘关’
＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － －
‘开’
★高速、大开/关比 开/关比→用很小的电压实现对大电流的调控 漏电流→在‘关’状态下电流接近‘0’的程度，也会影响到开/光比 变调频率→与高速的开/关变化对应的程度，与迁移率直接关联
有机场效应晶体管：迁移率
有机场效应晶体管
苏仕健 mssjsu@scut.edu.cn
华南理工大学 高分子光电材料与器件研究所
世界第一台计算机
生日：1946年2月14日 姓名：电子数值积分和计算机（Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC） 父母：美国陆军军械部、美国宾夕法尼亚 大学莫尔学院 组成：17468个电子管、6万个电阻器、1万 个电容器和6千个开关，重30吨，占地160 平方米，耗电174千瓦，耗资45万美元。 运算能力：5千次加法或400次乘法运算/秒
Drain current (A1/2)
VD = -1 V
1.0x10
-3
小分子TFTபைடு நூலகம்料：分子设计
四硫富瓦烯亚酰胺衍生物 TTF
LUMO
HOMO
Adv. Mater. 2007, 19, 3037.
小分子TFT材料：晶体结构和迁移率
四硫富瓦烯亚酰胺衍生物 TTF
compound
1 2 DBTTF
小分子TFT材料：输出曲线
(a) -100 V
-5.0x10
-6
PTA
Drain current (A)
-4.0x10 -3.0x10 -2.0x10 -1.0x10
-6
-80 V
-6
-60 V
-6
ce
Dr ai
ur
n
So
-6
-40 V -20 V
Silicon dioxide Silicon wafer
-5
-30 V
-5
-80 V
-5
-20 V
-5
-5
-60 V
-5
-6
-10 V 0V
0.0 0 -20 -40 -60 -80
-40 V -20 V 0V
0.0 0 -10 -20 -30 Drain voltage (V) -40
-100
Drain voltage (V)
Drain current versus drain voltage as a function of gate voltage for OFETs with PTA at different substrate temperatures. (a) Tsub = room temperature; (b) Tsub = 60 oC; (c) Tsub = 80 oC
HOMO (eV)
5.46 5.42 4.97
band gap (eV)
2.05 2.06 2.79
mobility (cm2/Vs)
0.0110.094 0.120.40 0.0010.003
on/off ratio
106108 106108 102103
dinterplanar = 3.42 Å
Quasi-planar structure with a small dihedral angle of 2.56o 3.378 Å co-facial stacking Alkyl-alkyl close contacts (2.3012.331 Å, H-to-H) FH hydrogen bonds (2.5652.2.600 Å) These intermolecular interactions facilitate charge transport.
有机场效应晶体管：n型小分子材料
含氰基n型小分子材料
C60衍生物
有机场效应晶体管：自组装绝缘层
迁移率： 早期：10-3 cm2/Vs 1997年：0.3~1.5 cm2/Vs 2004年：35~38 cm2/Vs (单晶)
小分子TFT材料：分子设计
Pentacene
Pentathienoacene (5T)
寡聚噻吩、硒吩衍生物
噻吩芳环寡聚衍生物
有机场效应晶体管：p型小分子材料
硫族杂稠环衍生物
有机场效应晶体管：p型小分子材料
四硫富瓦烯衍生物 含氮杂稠环衍生物
有机场效应晶体管：p型小分子材料
酞菁卟啉衍生物 其它p型小分子材料
有机场效应晶体管：n型小分子材料
含氟n型小分子材料 酸酐酰亚胺n型小分子材料
HO OH HO
OH OH HO OH HO
poly(vinyl alcohol) (PVA)
小分子TFT材料：输出曲线
并三噻吩衍生物
-1.4x10 -1.2x10
Drain current (A)
-7 -7 -7 -8 -8 -8 -8
10
-1 V
-6
10
Drain current (A)
-7
003 004
J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 1882.
小分子TFT材料：纳米线TFT
硫取代苝衍生物
W: 1.8 mm L: 55 mm
mobility : 0.8 cm2/Vs on/off ratio: 1.7×103 threshold voltage : -6 V
N N O
氮氧自由基衍生物
Mobility: 0.1 cm2/Vs On/off ratio: 5103
J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 13058
小分子TFT材料：分子设计
并咔唑衍生物
Adv. Mater., 2008, 20, 4835
小分子TFT材料：晶体结构
并咔唑衍生物
0
10 10
Gate voltage (V)
-I (A) D
1/2
Transfer characteristic, at Vds
Threshold Voltage
有机场效应晶体管：顶接触和底接触
Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 1489
有机场效应晶体管：顶接触和底接触
Acc. Chem. Res., 2009, 42, 1573
世界第一支晶体管：人类信息化社会的推手
美国贝尔实验室的研究员威廉姆·肖克利 （William Shockley）博士、约翰·巴丁 （John Bardeen）博士（前面站者）、 沃尔特·伯莱顿（Walter Brattain）博士 （后面站者）于1947年发明了人类历史 上第一支晶体管，并因此分享了1956年 的诺贝尔物理学奖。
小分子TFT材料：分子设计
环苯三胺衍生物
J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 15940
小分子TFT材料：输出曲线
环苯三胺衍生物
小分子TFT材料：自由基衍生物
N N O
氮氧自由基衍生物
J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 13058
小分子TFT材料：输出曲线
有机场效应晶体管 (Organic Field-Effect Transistors)
种类多 溶液法加工 成本低 柔韧性 大面积
transistor ← trans + resistor
通过电场来调控固体材料导电能力的有源器件
有机场效应晶体管：性能评价
A. Tsumura, et. al., Appl. Phys. Lett. 1986, 49, 1210
V
E=V/d V=d/t m = V / E = d2 / Vt
有机场效应晶体管：开关比及阈值电压
1/2
(A)
0.03 0.02 0.01 0.00
VDS=60V
10 10 10 10 10
-2 -4 -6 -8
On/Off Ratio
-ID SAT
-10 -12
-60 -50 -40 -30 -20 -10
~1 cm2/Vs 6-member ring 6 electrons • Insoluble • Absorbance in visible • Unstable
5-member ring 6 electrons Stable
小分子TFT材料：合成
Synthetic routes of PTA
Current (I)voltage (V) characteristics, at VG
测定迁移率的公式： ID=(W/L) Ci µ (VG﹣VT)VD (linear) ID=(W/2L) Ci µ (VG﹣VT)2 (saturation)
载流子迁移率的测试方法：飞行时间法（TOF）
d
t
小分子TFT材料：迁移率
Mobilities of PTA OFETs prepared at different substrate temperatures (Tsub) using the top-contact geometry
Tsub (oC) RT 60 80 100
Mobility (cm2/Vs) 0.0043 0.011 0.045 no field effect
并三噻吩衍生物
Adv. Funct. Mater., 2006, 16, 426
小分子TFT材料：晶体结构
并三噻吩衍生物
1200
Intensity (arbitrary units)
1000 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 30
2 (degrees)
5,5'-bis-biphenyl-dithieno[3,2-b:2',3'-d]thiophene
0.0 0 -20 -40 -60 -80
0V
-100
Drain voltage (V)
(c)
-2.5x10
-5.0x10
-5
-5
-40 V
(b)
-100 V
Drain current (A)
-2.0x10 -1.5x10 -1.0x10 -5.0x10
-5
Drain current (A)
-4.0x10 -3.0x10 -2.0x10 -1.0x10
Adv. Mater., 2008, 20, 1286
有机场效应晶体管：应用
Philips Research
Penn State Univ.
pixel drivers for active-matrix displays and detectors
Electronic paper
Radio-frequency Identification (RFID) tags
-10
-4
0.0 2.0x10
-8
-11
0.0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1.0
0.5
Drain voltage (V)
High Mobility (0.6 cm2/Vs) Low Operating Voltage (＜1 V)
Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 242113
dSO = 3.16 Å, dS-S = 3.80 Å
小分子TFT材料：分子设计
硫取代苝衍生物
4000
Intensity (arbitrary units)
002
3500 3000 2500 2000
001
perylo[1,12-b,c,d]thiophene (PET)
1500 1000 500 0 0 5 10 15 20 2 (degrees) 25 30
有机场效应晶体管：电极
Pentacene
Mobility (cm2/V.s) Ion/Ioff VT (V)
Au Ag
Cu
TC
BC
0.15
0.1
106
105
17
20
TC
BC TC BC
0.01
0.02 0.18 0.01
105
104 106 103
36
16 17 18 低成本铜电极有机场效应晶体管