臺灣博碩士論文加值系統

我們利用3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride（PTCDA)和1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride（NTCDA)作為負型有機半導體材料主體結構。因負型有機半導體在空氣下傳導電子具不安定性，因此導入多氟烷氨基將酐類轉化成醯胺類（PTCDI和NTCDI)使其化合物在空氣中更加穩定，藉由改變多氟烷基的碳鏈長度探討其含氟多寡與距離對化合物在空氣下的相對穩定性的關係，並且將我們所合成的有機材料製成有機場效電晶體，量測到最佳載子移動率為0.02 cm2/Vs，並分析其電性結果關係。

In this study. We use 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride（PTCDA) and 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydride（NTCDA) as our main structure. Due to n-type semiconductors are not stable in the air, we introduce the perfluoro-alkyl chains into our structure (PTCDI and NTCDI), anticipating that these organic semiconductors are more stable in the air. Here we prepare a series of n-type organic semiconductors based on perylene diimide and naphthalene diimide with different perfluoro-alkyl chains, conferring the numbers of fluorine and the distance from the core. Finally, we systematically investigated the effect of chemical structural variation on molecular level, electron mobility, and transistor stability.

目 錄
頁次
中文摘要 •••••••••••••••••• i　
英文摘要 •••••••••••••••••• ii
誌謝 •••••••••••••••••• iii
目錄 •••••••••••••••••• v
圖目錄 •••••••••••••••••• vii
表目錄 •••••••••••••••••• x
一、 序論
1-1 前言 ••••••••••••••••••••• 1
1-2 有機薄膜電晶體的介紹與其操作原理•••• 4
1-3 有機薄膜電晶體的傳遞方式與材料•••••• 10
1-4 P-type有機半導體材料 •••••••••• 12
1-5 N-type有機半導體材料 ••••••••••• 15
1-6 Air-stable有機半導體與盤型N-type有機半導體• 23
1-7 研究動機 •••••••••••••• 29
二、 實驗相關儀器與步驟
2-1 儀器設備 ••••••••••••••••• 32
2-2 實驗藥品 ••••••••••••••••• 37
2-3 實驗合成與步驟 •••••••••••••• 44
三、 結果與討論
3-1 合成與討論 •••••••••••••••• 74
3-2 熱分析討論 •••••••••••••••• 75
3-3 電化學討論 •••••••••••••••• 80
3-4 UV吸收光譜 •••••••••••••••• 84
四、 電晶體元件測量與討論
4-1 電晶體電性探討 •••••••••••••• 87
4-2 電晶體元件表面探討 •••••••••••• 91
4-3 電晶體之穩定性探討 •••••••••••• 94
五、 結論 •••••••••••••••••• 96
參考文獻 •••••••••••••••••••• 98
附錄一 元件電性圖檔 ••••••••••••••• 102
附錄二 X光繞射特性吸收表 ••••••••••••• 109
附錄三 化合物鑑定圖譜 ••••••••••••••• 111







圖 目 錄
圖1.1 有機發光二極體顯示器與可彎曲式顯示器 •••••••••••• 2
圖1.2 有機薄膜電晶體結構圖 •••••••••••••••••••••••••••• 4
圖 1.3 OFET元件製程方式示意圖 •••••••••••••••••••••••• 5
圖 1.4 OFET元件操作原理 •••••••••••••••••••••••••••••• 6
圖 1.5 OFET電晶體平面圖與電流-電壓關係圖 ••••••••••••• 7
圖 1.6 OFET元件特性曲線圖 •••••••••••••••••••••••••••• 8
圖1.7 材料分子排列方式示意圖 ••••••••••••••••••••••••• 10
圖1.8 有機半導體材料 ••••••••••••••••••••••••••••••••• 11
圖 1.9 Violanthrene結構圖及其電性圖 •••••••••••••••••••• 12
圖 1.10 Polyacetylene與Polythiophene結構圖 •••••••••••••• 13
圖 1.11 Pentacene與DH6T結構圖 ••••••••••••••••••••••• 13
圖 1.12 thiophene系列與Phthalocyanine (Pc) ••••••••••••• 14
圖 1.13 互補式電晶體結構圖 ••••••••••••••••••••••••••• 16
圖 1.14 Pc2Lu以及Pc2Tm結構圖 •••••••••••••••••••••••• 16
圖 1.15 TCNQ與C60結構圖 ••••••••••••••••••••••••••••• 17
圖 1.16 Metallophthalocyanine結構圖與不同取代基之載子移動率18
圖 1.17 F16CuPc在空氣底下的電性特性圖 ••••••••••••••••• 18
圖 1.18 DFH-6T結構圖與電性特性圖 •••••••••••••••••••• 19
圖 1.19 含氟取代n-type有機材料結構圖 •••••••••••••••••• 19
圖 1.20 Terthiophene-Based Quinodimethane結構圖與晶體排列圖20
圖 1.21 Terthiophene-Based Quinodimethane電性特性圖 ••••• 20
圖 1.22 NTCDA與NTCDI結構圖及其電性特性圖 •••••••••• 20
圖 1.23 NTCDI-CF8結構圖 ••••••••••••••••••••••••••••• 21
圖 1.24 NTCDI-CF8電性特性圖 ••••••••••••••••••••••••• 21
圖 1.25 PDCDI-C8H結構圖與電性特性圖 ••••••••••••••••• 22
圖 1.26 PDI-CN2與PDI-FCN2結構圖 •••••••••••••••••••••• 22
圖 1.27 PDI-FCN2結晶排列圖 ••••••••••••••••••••••••••• 22
圖 1.28 PDI-CN2與PDI-FCN2電性特性圖 •••••••••••••••••• 23
圖 1.29 NTCDI結構圖與不同取代基圖表 ••••••••••••••••• 23
圖 1.30 不同取代基的NTCDI之載子移動率圖表 ••••••••••• 24
圖 1.31 PF-6T結構圖與晶體圖 •••••••••••••••••••••••••• 24
圖 1.32 Perfluoropentacene結構圖與電性特性圖 •••••••••••• 24
圖 1.33 雙極性電晶體結構圖與其電性特性圖 ••••••••••••• 25
圖 1.34 PTCDI含氟芳香族結構圖與載子移動率圖表 ••••••• 25
圖 1.35 含氟數多寡與載子移動率關係圖 ••••••••••••••••• 26
圖 1.36 含F與不含F之化合物示意圖 •••••••••••••••••••• 26
圖 1.37 NDI-8CN與NDI-8CN2結構圖與電性特性圖 •••••••• 27
圖 1.38 TC-PTCDI與BPE-PTCDI 結構圖與X-Ray繞射圖 ••• 27
圖 1.39 TC-PTCDI與BPE-PTCDI電晶體穩定性圖表 ••••••• 28
圖 1.40 空氣中穩定n-type有機材料還原電位與載子移動率 •• 28
圖 1.41 DCPQ結構圖與還原電位和載子移動率 •••••••••••• 29
圖 1.42 本實驗室欲合成之n-type有機半導體材料 •••••••••• 31
圖 3.1 NTCDI與PTCDI不同含氟數長碳鏈TGA圖 •••••••• 75
圖 3.2 PTCDI-B與NTCDI-B系列TGA圖 ••••••••••••••• 76
圖 3.3 NTCDI含氟長碳鏈系列化合物之DSC圖 •••••••••• 78
圖 3.4 PTCDI含氟長碳鏈系列化合物之DSC圖 ••••••••••• 78
圖 3.5 NTCDI-B與PTCDI-B系列化合物之DSC圖 •••••••• 79
圖 3.6 NTCDI(B)與PTCDI(B)化合物之CV圖 •••••••••••• 81
圖 3.7 電子轉移示意圖 •••••••••••••••••••••••••••••• 83
圖 3.8 　NTCDI系列與PTCDI系列化合物之UV吸收光譜圖• 84
圖 4.1 NTCDI-CF8-OTS之I-V電性圖 •••••••••••••••••• 87
圖 4.2 NTCDI-C7F9 (OTS)電晶體電性曲線圖••••••••••••• 90
圖 4.3 F-DTS(左圖)與OTS(右圖)處理過後的SiO2表面圖 ••• 92
圖 4.4 NTCDI系列化合物之AFM圖 •••••••••••••••••••• 92
圖 4.5 NTCDI-C7F9空氣下穩定性測試 •••••••••••••••••• 94
圖 4.6 電晶體電性遞減曲線圖 ••••••••••••••••••••••••• 95
表 目 錄
表1 NTCDI與PTCDI系列之Td ••••••••••••••••••••••••••• 76
表2 NTCDI-B與PTCDI-B系列之Td •••••••••••••••••••••• 77
表3 相轉移示意圖 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 80
表4 各類化合物之還原電位與LUMO關係比較 •••••••••••• 82
表5 各類化合物吸收波長與LUMO關係比較 •••••••••••••• 84
表6 特定化合物之吸收波長與能階關係比較 ••••••••••••••• 86
表7 化合物之元件電性比較表 ••••••••••••••••••••••••••• 88
(表面處理: SiO2，空氣下進行量測)
表8 化合物之元件電性比較表 ••••••••••••••••••••••••••• 89
(表面處理: OTS，空氣下進行量測)
表9 化合物之元件電性比較表 ••••••••••••••••••••••••••• 89
(表面處理: F-DTS，空氣下進行量測)

參 考 文 獻
1.http://www.sony.jp/products/Consumer/oel/products/index.html
http://www.udn.com/2007/5/27/NEWS/INFOTECH/INF2/3861791.shtml http://www.engadget.com/2005/07/13/fujitsus-flexible-low-power-color-screen/
2.H. Shirakawa, E. J. Louis, A. G. MacDiarmid, C. K. Chiang, A. J. Heeger, J. Chem. Soc. 1977, 578.
3.A. Tsumura, H. Koezuka, T. Ando, Appl. Phys. Lett. 1986, 49, 1210.
4.J. H. Burroughes, C. A. Jones, R. H. Friend, Nature 1988, 335, 137.
5.Z. Bao, A. Dodabalapur, A. J. Lovinger, Appl. Phys. Lett. 1996, 69, 4108.
6.D. M. Leeuw, Nature 2000, 407, 422.
7.D. M. Leeuw, Nature 2001, 414, 599.
8.M. McCreary, Nature 2003, 423, 136.
9.Z. Bao, Materials Today 2004, 20, 20.
10. A. Facchetti, Materials Today 2007, 10, 28.
11. J. Zaumseil, H. Sirringhaus, Chem. Rev. 2007, 107,1296.
12. H. Inokuchi, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1954, 27, 22.
13. H. Shirakawa, E. J. Louis, A. G. MacDiarmid, C. K. Chiang, A. J.
Heeger, J. Chem. Soc. 1977, 21, 578.
14. A. Tsumura, H. Koezuka, T. Ando, Appl. Phys. Lett. 1986, 49, 1210.
15. F. Ganrnier, Synth. Met. 1992, 51, 419.
16. R. Haddon, A. Perel, A. Hebard, J. Appl. Phys. 1995, 67, 121.
17. Y. Lin, D.Gundlach, T. Jackson, Ann. Rev. Conf. Digest. 1996, 80.
18. J. H. Schön, C. Kloc, B. Batlogg, Org. Electron. 2000, 1, 57.
19. F. Garnier, A. Yassar, R. Hajlaoui, G. Horowitz, F. Dellofre, P.
Alnot, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8716.
20. H. Katz, A. Loringer, J. Laquindanum, Chem. Mater. 1998, 10, 457.
21. Z. Bao, A. Dodabalapur, A. J. Lovinger, Appl. Phys. Lett. 1996, 69,
4108.
22. H. Sirringhaus, N. Tessler, R. H. Friend, Science 1998, 280, 1741
23. Y. Ohmori, H. Takahashi, K. Muro, M. Uchida, T. Kawai, K.
Yoshino, Jpn. J. Appl. Phys. 1991, 30, 610.
24. D. D. Eley, Nature 1948, 162, 819.
25. D. F. Barbe, C. R. Westgate, J. Phys. Chem. Solids. 1970, 31, 2679.
26. H. Katz, Z. Bao, S. Gilat, Adv. Mater. 2002, 14, 99.
27. H. Katz, A. J. Lovinger, J. Johnson, C. Kloc, T. Siogrist, A.
Dodabalapur, Nature 2000, 404, 478.
28. G. Guillaud, M. Sadound, M. Maitorot, Chem. Phys. Lett. 1990, 167,
503.
29. A. R. Brown, D. M. Leeuw, E. J. Louis, E. E. Havinga, Synth. Met.
1994, 66, 257.
30. R. C. Haddon, A. S. Perel, R. C. Morris, T. T. Palsta, A. F. Hebard,
R. M. Fleming, J. Appl. Phys. 1995, 67, 121.
31. Z. Bao, A. J. Lovinger, J. Brown, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 207.
32. A. Facchetti, Y. Deng, A. Wang, Y. Koide, H. Sirringhaus, T. J.
Marks, R. H. Friend, Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 4547.
33. T. M. Pappenfus, R. J. Chesterfield, C. D. Frisbie, K. R. Mann, L. L.
Miller, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 4184.
34. J. G. Laquindanum, H. Katz, A. Dodabalapur, A. J. Lovinger, J.
Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11331.
35. H. Katz, A. J. Lovinger, J. Johnson, C. Kloc, T. Siogrist, A.
Dodabalapur, Nature 2000, 404, 478.
36. R. L. Patrick, D. Christos, D. Jeffrey, L. L. Gelorme, O. Teresita,
Appl. Phys. Lett. 2002, 80, 2517.
37. B. A. Jones, M. J. Ahren, M. H. Yoon, A. Facchetti, T. J. Marks, M.
Wasielewski, Angew Chem. Int. Ed. 2004, 43, 6363.
38. H. Katz, J. Jerainne, J. Andrew, L. Wenjie, J. Am. Chem. Soc. 2000,
122, 7787.
39. Y. Sakamoto, S. Komatsu, T. Suzuki, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123,
4643.
40. Y. Sakamoto, T. Suzuki, M. Kobayashi, Y. Gao, Y. Fukai, Y. Inoue,
F. Sato, S. Tokito, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 8138.
41. M. M. Ling, X. Mo, M. M. Shi, M. Wang, Z. Bao, Chem. Mater.
2007, 19, 816.
42. B. A. Jones, A. Facchetti, T. J. Marks, M. R. Wasielewski, Chem.
Mater. 2007, 19, 2703.
43. M. M. Ling, P. Erk, M. Gomez, M. Koenemann, J. Locklin, Z. Bao,
Adv. Mater. 2007, 19, 1123.
44. B. A. Jones, A. Facchetti, M. R. Wasielewski, T. J. Marks, J. Am.
Chem. Soc. 2007, 129, 15259.
45. J. Nishida, N. S. Murai, E. Fujiwara, H. Tada, M. Tomura, Y.
Yamashita, Org. Lett. 2004, 6, 2007.
46. V. D. George, H. A. Brown, T. S. Reid, J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 5978.