臺灣博碩士論文加值系統

有機場效電晶體已發展多年，不論是P 型材料或是 N 型材料都是在應用中不可或缺的一部分，但基於特性不同導致 N 型材料的發展遠遠不及 P 型材料。本研究為設計並合成出能在空氣中穩定運作之 N 型有機半導體的小分子材料。我們將 BDT 兩側接上 Thienoimide，並將羰基硫化轉變為硫羰基以降低 LUMO 值，期望能成為空氣中穩定運作的 N 型有機半導體材料。
我們成功合成出其延伸物， BTIBT-C2C6 與 BTIBT-C12，兩者的主要差別在於具有不同的烷基測鏈，分別為1-Octyl 與 2-Ethylhexyl，本文也研究了化合物的光學性質、電化學性質與熱穩定性。透過循環伏安法 (CV) 可得 BTIBT-C2C6 與 BTIBT-C12 的 LUMO 能階分別為 -3.80 eV 與 -3.75 eV。
根據本研究量測數據顯示，本文所研究之兩化合物，BTIBT-C2C6 與 BTIBT-C12 均有良好的熱穩定性與溶解度，因此在元件的製程上，不僅僅能使用真空蒸鍍的技術來製作，其良好的溶解度對於製作液相製程也是一大優勢，兩化合物在元件的表現上有不錯的潛力，期望能成為 N 型有機半導體材料。

Organic Field-effect transistors have been developed for many years. Both P-type and N-type materials are indispensable parts of the application. However, the development of N-type materials is far less than that of P-type materials.
This study is to design and synthesis molecular for N-type OFET in the air. We design and synthesis 4,7-bis(dithiothienoimide)benzo[2,1,3]thiadiazole. To reduce the LUMO value, we converted the imide to thioimide.
We successfully synthesized BTIBT-C2C6 and BTIBT-C12. The difference between is their alkyl side chains, which are 1-Octyl and 2-Ethyl-hexyl. The optical properties, electrochemical properties and thermal stability of the compounds were also investigated. The LUMO energy levels of BTIBT-C2C6 and BTIBT-C12 are -3.80 eV and -3.75 eV.
According to the data, they have good thermal stability. Therefore, in the process of component, not only vacuum evaporation technology can be used, solution process also can be used base on the good solubility. The two compounds have good potential in organic semiconductor and are expected to be N-type OFET materials.

目次
致謝辭 i
摘要 ii
Abstract iii
目次 iv
表目次 vi
圖目次 vii
壹、 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 有機場效電晶體介紹 3
1-3 有機場效電晶體之結構 4
1-4 有機場效電晶體元件基本分類 6
1-5 有機場效電晶體之基本運作原理 7
1-6 載子傳導機制與有機半導體的分子排列 9
1-7 有機場效電晶體之製程技術 12
1-7-1 物理氣相沉積系統 12
1-7-2 液相製程 13
1-8 有機半導體材料簡介 17
1-8-1 P 型有機半導體材料 19
1-8-2 N 型有機半導體材料 21
1-9 研究動機 30
貳、 實驗過程 32
2-1 實驗使用藥品 32
2-2 儀器設備與測量條件 34
2-2-1 核磁共振光譜儀 35
2-2-2 紫外-可見光吸收光譜儀 36
2-2-3 循環電位儀 37
2-2-4 熱重分析儀 38
參、 結果與討論 39
3-1 合成路徑 39
3-2 反應步驟 40
3-2-1 醯亞胺化反應 (Imidation) 40
3-2-2 [3+2] 環化反應 ( [3+2] Cyclization reaction) 42
3-2-3 溴化反應 (Bromination reaction) 44
3-2-4 硼化反應 (Boration reaction) 46
3-2-5 鈴木反應 (Suzuki reaction) 47
3-2-6 硫化反應 (Thionation reaction) 49
3-3 理論計算 51
3-4 光學性質探討 53
3-5 電化學性質探討 58
3-6 熱性質分析 62
肆、 結論 64
參考文獻 65
附錄 NMR圖譜 68
 
表目次
表 1-1 傳統電晶體和有機場效電晶體之比較 3
表 1-2 NTCDI 之不同取代基圖表 25
表 1-3 含不同取代基之 NTCDI 載子遷移率 26
表 1-4 PyDIT-C8與PyDTI-F在不同條件下之元件電性數據 29
表 3-1 理論計算所得之數據 52
表 3-2 化合物 8、BTIBT-C2C6 與 BTIBT-C12 之能階關係 57
表 3-3 化合物 8、BTIBT-C2C6 與 BTIBT-C12 之電化學性質數據表-1 60
表 3-4 化合物 8、BTIBT-C2C6 與 BTIBT-C12 之電化學性質數據表-2 61


 
圖目次
圖 1-1 無線射頻辨識 (RFID) 2
圖 1-2 On-Cell Touch AMOLED 2
圖 1-3 Galaxy Fold 2
圖 1-4 Nubia α 2
圖 1-5 有機場效電晶體結構示意圖 4
圖 1-6 各式元件組成示意圖 (a) 下閘極上接觸式 (b)下閘極下接觸式 (c)上接觸下閘極式 (d)上閘極上接觸式 6
圖 1-7 有機場效電晶體結構 (左) N 型有機場效電晶體與 (右) P型有機場效電晶體 7
圖 1-8 OFET 元件運作之能階關係示意圖 (左) N 型有機半導體材料與 (右) P型有機半導體材料 8
圖 1-9 半導體 Hopping type 示意圖 9
圖 1-10 分子排列模式示意圖 (a)典型魚骨狀排列 (b)共面魚骨狀排列 (c)滑位堆疊排列 (d)砌磚型排列 10
圖 1-11 有機分子排列與載子傳遞關係示意圖 (a)單晶相排列 (b)多晶相排列 (c)無晶相排列 11
圖 1-12 蒸鍍機的基本結構圖 12
圖 1-13 旋轉塗佈法 13
圖 1-14 浸泡塗佈法 14
圖 1-15 液滴塗佈法 14
圖 1-16 噴墨印刷法 15
圖 1-17 棒塗法 15
圖 1-18 熱退火示意圖 16
圖 1-19 常見之 P 型有機半導體材料 17
圖 1-20 常見之 N 型有機半導體材料 18
圖 1-21 Pentacene 分子結構圖 19
圖 1-22 Dihexylsexithiophene 分子結構圖 19
圖 1-23 Poly(3-hexylthiohene) 分子結構 20
圖 1-24 Phthalocyanine 衍生物 20
圖 1-25 Pc2Lu 及 Pc2Tm 分子結構 21
圖 1-26 TCNQ 分子結構 22
圖 1-27 C60 分子結構 22
圖 1-28 Perylene Diimide 更換取代基之空間分佈模型 22
圖 1-29 不同取代基之 Metallophthalocyanine 衍生物 23
圖 1-30 F16CuPc 於空氣中之電性圖 23
圖 1-31 Terthiophene-Based Quinodimethane 分子結構圖與電性圖 24
圖 1-32 (左) NTCDA 與 (右) NTCDI 分子結構 24
圖 1-33 NTCDI 分子結構 25
圖 1-34 NTCDI-C8F 分子結構 26
圖 1-35 NTCDI-C8F 電性圖 (a) 真空蒸鍍 (b) 溶液製程 26
圖 1-36 Pyromellitic Diimide 及其衍生物 27
圖 1-37 Oligothiophenes 及 Indenofluorenes 及其衍生物 27
圖 1-38 Imi(Me)-a-BT 與 S-Imi(Me)-a-BT 分子結構 28
圖 1-39 Imi(Me)-TzTz 與 S-Imi(Me)-TzTz 分子結構 28
圖 1-40 (a) PyDI-F、PyDIT-C8與PyDTI-F (b) 化合物之 LUMO 能階 29
圖 1-41 (a) BDT分子結構圖 (b) Thienoimide 分子結構圖 30
圖 1-42 本實驗室合成並研究之分子結構 (a) 化合物 8 分子結構圖
(b) BTIBT-C2C6 分子結構圖 (c) BTIBT-C12 分子結構圖 31
圖 2-1 Cutoff 吸收波長示意圖 36
圖 3-1 化合物 8之電子雲密度分布圖 (左) HOMO 電子雲分布 (右) LUMO 電子雲分布 52
圖 3-2 BTIBT-C2C6 之電子雲密度分布圖 (左) HOMO 電子雲分布 (右) LUMO 電子雲分布 52
圖 3-3 BTIBT-C12 之電子雲密度分布圖 (左) HOMO 電子雲分布 (右) LUMO 電子雲分布 52
圖 3-4 化合物 8 之UV/Vis 吸收光譜 54
圖 3-5 化合物 8 之特定區間 UV/Vis 吸收光譜 54
圖 3-6 BTIBT-C2C6 之UV/Vis 吸收光譜 55
圖 3-7 BTIBT-C2C6 之特定區間 UV/Vis 吸收光譜 55
圖 3-8 BTIBT-C12 之UV/Vis 吸收光譜 56
圖 3-9 BTIBT-C12 之特定區間 UV/Vis 吸收光譜 56
圖 3-10 化合物 8之循環伏安法之電性圖 59
圖 3-11 BTIBT-C2C6 之循環伏安法之電性圖 59
圖 3-12 BTIBT-C12 之循環伏安法之電性圖 60
圖 3-13 BTIBT-C2C6 TGA 測量圖 62
圖 3-14 BTIBT-C12 TGA 測量圖 63

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