臺灣博碩士論文加值系統

有機場效電晶體已經被研究許多年，但是N-type材料的載子遷移率及元件穩定性依然遠遠落後於P-type，這是由於N-type材料在空氣中不穩定性所造成的影響，因此本篇論文以Isatin derivatives為主，在中間加入並雙噻吩，並在兩端加上氰基以降低分子的LUMO，使其可以成為空氣中穩定的N行有機半導體之材料。
我們成功合成出BIMTT-C2C6、BAIMTT-C2C6、BAIMTT-C6C10以及BFTMTT-C6C10，並利用循環伏安法(CV)與吸收光譜圖(UV-Vis)可以測得LUMO分別為-4.00、-4.06、-4.02及-4.03 eV，可以證明這些材料為空氣中穩定之N-type有機半導體材料，而能隙(Eg)分別為1.62、1.44、1.69及1.58 eV。
為了可以使材料能夠以液相的方式製程，將材料上的碳鏈從原本的2-Ethylhexylamine換成2-Decanylhexylane來增加其溶解度，並使用棒塗法來製程，再將元件以原子力顯微鏡(AFM)和X光繞射儀(XRD)對於其分子薄膜型態的堆疊加以討論，可以發現在蒸鍍的部分由於分子量太大使得在XRD上的訊號很低；在液相的部分，可以發現AFM上的表面平整度隨速度的增加而降低。
為了探討氧代吲哚丙二腈並雙噻吩衍生物的傳遞效率，我們分別使用蒸鍍與液相兩種方式將材料沉積在表面，由AFM與XRD推測是由於製程時膜的不連續性，使得本篇材料皆無法量測到半導體電性。

Organic Field-Effect Transistors (OFETs) have been studied for many years, because of their potential applications in large area, flexible, and low cost complementary circuits. The carrier mobility and device stability of N-type is far behind than P-type, this is because of the LUMO of organic materials is higher than H2O and oxygen. In this study we demonstrate the Bis-2,2’[2-(2-oxoindolin-3-ylidene)malononitrile]thieno[3,2-b]thiophene (BIMTT) derivatives and introduce cyano group onto isatins derivative is decrease the LUMO value, and make sure it becomes air-stable N-type OFET material.
We success synthesis of BIMTT-C2C6、BAIMTT-C2C6、BAIMTT-C6C10 and BFTMTT-C6C10, the LUMO value is -4.00, -4.06, -4.02 and -4.03 eV calculate by cyclic voltammetry (CV), is lower than -3.8 eV, showed air-stable, the energy gap is 1.62, 1.44, 1.69 and 1.58 eV.
In order to investigate the charge transport properties of BIMTT derivatives, we create devices by vapor deposition and solution process. The thin films were characterized by atomic force microscopy (AFM) and X-ray diffraction (XRD) to elucidate the relationships between molecular structure, film morphology, and device performance. In vapor deposition showed the XRD peak is weak, because of the molecular weight is too heavy to deposition. In solution process AFM showed the surface morphology is more rough when the bar move more quickly.
Because of the film is not continuity which is showed on AFM and XRD spectroscopy. So all materials in this study not show the semiconductor property.

目次
致謝辭 i
摘要 ii
Abstract iii
目次 v
表目次 vii
圖目次 viii
第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 有機場效電晶體介紹 3
1-3 有機場效電晶體元件結構 5
1-4 有機場效電晶體之運作原理 8
1-5 有機場效電晶體的基本公式與重要參數 10
1-6 載子傳遞機制 13
1-7 有機半導體材料簡介 19
1-7.1 P-type 有機半導體材料 20
1-7.2 N-Type 有機半導體材料 21
1-8 介電層表面修飾 23
1-9 有機半導體元件製成 25
1-9.1 物理氣相沉積(Physical vapor deposition, PVD) 25
1-9.2 液相製成(Solution process) 26
1-10 N-type分子設計概論 28
1-11 研究動機 29
第二章 實驗過程 31
2-1 實驗藥品 31
2-2 合成路徑 32
2-3 反應步驟 33
2-4 儀器設備 42
2-4.1 核磁共振光譜儀(Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 43
2-4.2 循環伏安法(Cyclic Voltammetry, CV) 44
2-4.3 紫外光/可見光吸收光譜儀(Ultraviolet-visible Spectroscopy) 45
2-4.4 熱重分析儀(Thermal Gravimetric Analyzer, TGA) 46
2-4.5 微差熱掃描分析儀(Differential Scanning Calorimeter, DSC) 47
2-5 元件製備 48
2-5.1 清洗矽晶片 48
2-5.2 氧電漿清洗 48
2-5.3 製作自組裝單層膜 49
2-5.4真空蒸鍍有機半導體材料 51
2-5.5液相製程有機半導體層 51
2-5.6真空蒸鍍金屬電極 52
第三章 結果與討論 53
3-1 熱性質分析 53
3-2 電化學性質探討 57
3-3 UV-Vis吸收光譜探討 60
3.4 理論計算 64
3-5 元件表面AFM探討 66
3-6 元件表面XRD探討 73
參考文獻 76

 
表目次
表2- 1 儀器設備 42
表3- 1 論文材料之能階關係 63
表3- 2 理論計算之能階關係 65

 
圖目次
圖1- 1 Galaxy S4 2
圖1- 2 工業技術研究院展出可折疊觸控面板 2
圖1- 3 有機場效電晶體結構示意圖 5
圖1- 4 元件組態(a)下閘極式下接觸式(b)下閘極式上接觸式(c)上閘極式下接觸式(d)上閘極式上接觸式 7
圖1- 5 N型場效電晶體的運作示意圖 8
圖1- 6 元件運作之能階關係示意圖 9
圖1- 7 (a)汲極電流對汲極電壓關係圖(b)汲極電流對閘極電壓關係圖 10
圖1- 8 電晶體Ion/off電性圖 12
圖1- 9 典型魚骨狀排列示意圖 13
圖1- 10 共面魚骨狀排列示意圖 14
圖1- 11 滑位堆疊示意圖 14
圖1- 12 砌磚型排列示意圖 15
圖1- 13 分子間載子跳躍傳輸示意圖 16
圖1- 14 有機半導體分子排列與載子傳遞關係圖 17
圖1- 15 常見有機半導體材料 19
圖1- 16 并五苯(Pentacene) 20
圖1- 17 Rubrene 分子結構圖 20
圖1- 18 NDI分子結構圖 21
圖1- 19 N,N′-bis(cyclohexyl)NDI分子結構圖 21
圖1- 20 PDI分子結構圖 22
圖1- 21 PDI衍生物 22
圖1- 22 PDI cyano衍生物 22
圖1- 23 PDI 氟衍生物 22
圖1- 24 表面化學修飾介電層表面示意圖 23
圖1- 25 PS PMMA結構示意圖 24
圖1- 26 蒸鍍機的基本結構圖 25
圖1- 27 旋轉塗佈示意圖 27
圖1- 28 浸泡塗佈示意圖 27
圖1- 29 液滴塗佈示意圖 27
圖1- 30 棒塗法示意圖 27
圖1- 31 由Marder實驗室所合成出的Tetracyano isoindigo 29
圖1- 32 由Wan實驗室所合成出的DBTII 30
圖1- 33 陳建佑論文之DCMI結構 30
圖2- 1 UV-Vis 示意圖 45
圖3- 1 BIMTT-C2C6 TGA量測結果 53
圖3- 2 BAIMTT-C2C6 TGA量測結果 53
圖3- 3 BAIMTT-C6C10 TGA量測結果 54
圖3- 4 BFTMTT-C6C10 TGA量測結果 54
圖3- 5 BIMTT-C2C6 DSC量測結果 55
圖3- 6 BIMTT-C2C6 DSC量測結果 55
圖3- 7 BAIMTT-C6C10 DSC量測結果 56
圖3- 8 BFTMTT-C10C6 DSC量測結果 56
圖3- 9 BIMTT-C2C6 之循環伏安法電性圖 57
圖3- 10 BAIMTT-C2C6之循環伏安法電性圖 58
圖3- 11 BAIMTT-C6C10之循環伏安法電性圖 58
圖3- 12 BFTMTT-C6C10之循環伏安法電性圖 59
圖3- 13 BIMTT-C2C6 之UV/Vis 吸收光譜圖 61
圖3- 14 BAIMTT-C2C6 之UV/Vis 吸收光譜圖 61
圖3- 15 BAIMTT-C6C10 之UV/Vis 吸收光譜圖 62
圖3- 16 BFTMTT-C10C6 之UV/Vis 吸收光譜圖 62
圖3- 17 BIMTT-C2C6與BAIMTT-C2C6理論計算電子雲分布圖 64
圖3- 18 BAIMTT-C6C10與BFTMTT-C6C10理論計算電子雲分布圖 65
圖3- 19 BIMTT-C2C6 元件表面AFM圖 67
圖3- 20 BAIMTT-C2C6 元件表面AFM圖 68
圖3- 21 金屬棒移動速度150 µm s-1之元件表面AFM圖 69
圖3- 22 金屬棒移動速度175 µm s-1之元件表面AFM圖 70
圖3- 23 金屬棒移動速度200 μm s -1之元件表面AFM圖 71
圖3- 24 金屬棒移動速度250 µm s-1之元件表面AFM圖 72
圖3- 25 BIMTT-C2C6 蒸鍍元件表面XRD圖 73
圖3- 26 BAIMTT-C2C6 蒸鍍元件表面XRD圖 73
圖3- 27 BAIMTT-C6C10 元件表面XRD圖 74
圖3- 28 BFTMTT-C6C10元件表面XRD圖 74

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