臺灣博碩士論文加值系統

作為有機薄膜電晶體使用，碳六十具有低自組能以及高度有序的固態結構等有利於產生高載子遷移率的優點，故其運用於N-type有機場效電晶體的可能性被廣泛研究。然而，除結晶性外，結晶取向與晶體的薄膜型態亦對電晶體表現影響重大。本論文開發一碳六十晶體成長與薄膜形貌控制方法，利用硬化後的聚二甲基矽烷輔助碳六十結晶，並產生具有取向性的碳六十晶體陣列，同時透過篩選溶劑，來改變碳六十的結晶習性，在二硫化碳與鄰二氯苯中成功製備大面積，具備取向性的片狀碳六十晶體。此晶體在有機電晶體元件中提供1.38 cm2 V-1 s-1的高電子遷移率。電子繞射實驗說明了結晶習性的變化導因於碳六十結晶結構的改變，具有面心最密堆積的碳六十晶體將較於六方晶系的晶體容易生成片狀晶體。大多數研究所培養的碳六十晶體雖取向性佳，但為針狀晶體，故有晶體橫向面積不足，不易鋪滿電極與製作大面積有機場效電晶體的問題，本研究提供了較完整的碳六十晶體成長機制探討，也提供了一個大面積製作碳六十有機場效電晶體的方法。

C60 has been used in organic field effect transistor(OFET) due to its extremely low reorganization energy, highly order solid-state structure and strong intermolecular interactions, which facilitate efficient charge transfer and high mobility. Crystal orientation of C60 significantly affects the performances of C60-based OFETs. Previous studies indicated that high electron mobility can be achieved in well-oriented C60 crystalline domains.
However, the lateral dimension of the C60 domain was limited by needle-like crystal habit of C60. Large-area production of C60 OFET is thus difficult. In this study, a novel PDMS assisted crystal growth method was developed. The method allowed the use of solvents, which changes the needle-like crystal habits into disc-like habits.
Electron mobility as high as 1.38 cm2 V-1 s-1 was delivered by the well-oriented and lateral-sized C60 crystalline domains, prepared by PDMS-assisted crystal growth method.

摘要 i
Abstract II
誌謝 III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XVI
第一章 序論 1
1.1 有機場效電晶體 1
1.2 無機半導體載子傳遞 2
1.3 有機半導體載子傳遞 3
1.3.1 高分子載子傳遞機制 4
1.3.2 小分子載子傳遞機制 5
1.4 有機薄膜電晶體元件操作原理 16
1.5 有機薄膜電晶體元件構造 18
1.6 有機薄膜電晶體元件測量原理及載子遷移率計算 20
1.7 有機場效電晶體元件相關參數 22
1.8 有機場效電晶體元件表現之改進 23
1.9 有機半導體晶體培養 30
1.9.1 晶體成長機制: 30
1.9.2 影響晶體成長參數: 32
1.10 有機場效電晶體晶體元件製備方法 33
1.10.1 現況與改良 33
第二章 實驗部分 41
2.1 試藥 41
2.2 鑑定儀器 41
2.2.1 光學顯微鏡 41
2.2.2 偏振光學顯微鏡 41
2.2.3 原子力顯微鏡 45
2.2.4 穿透式電子顯微鏡 46
2.2.5 半導體精準參數分析儀 46
2.3 有機薄膜電晶體元件結構 46
2.4 有機薄膜電晶體元件製作流程 47
2.4.1 前置作業 47
2.4.2 碳六十晶體元件製備流程 48
第三章 結果與討論 49
3.1 研究動機 49
3.2 晶體成長機制 50
3.3 影響晶體形貌因素 57
3.3.1 環境溫度 58
3.3.2 溶液濃度 63
3.3.3 溶劑選擇 68
3.3.4 基板選擇 74
3.4 元件表現及討論 79
3.4.1 溶劑、晶體形貌與電晶體特性 80
3.4.1.1 溶劑選擇─ 二硫化碳 80
3.4.1.2 溶劑選擇─ 鄰二氯苯 83
3.4.1.3 溶劑選擇─ 間二甲苯 86
第四章 總結與未來方向 90
4.1 總結 90
4.2 未來方向 91
第五章 參考文獻 92

(1) Sekitani, T.; Zschieschang, U.; Klauk, H.; Someya, T. Nature Mater. 2010, 9, 1015-1022.
(2) See, K. C.; Feser, J. P.; Chen, C. E.; Majumdar, A.; Urban, J. J.;
(3) Crone, B.; Dodabalapur, A.; Lin, Y.-Y.; Filas, R.; Bao, Z.; LaDuca, A.; Sarpeshkar, R.; Katz, H.; Li, W. Nature 2000, 403, 521-523.
(4) Gelinck, G. H.; Huitema, H. E. A.; van Veenendaal, E.; Cantatore, E.; Schrijnemakers, L.; van der Putten, J. B.; Geuns, T. C.; Beenhakkers, M.; Giesbers, J. B.; Huisman, B.-H. Nature Mater. 2004, 3, 106-110.
(5) Rogers, J. A.; Bao, Z.; Baldwin, K.; Dodabalapur, A.; Crone, B.; Raju, V.; Kuck, V.; Katz, H.; Amundson, K.; Ewing, J. PNAS. 2001, 98, 4835-4840.
(6) Coropceanu, V.; Cornil, J.; da Silva Filho, D. A.; Olivier, Y.; Silbey, R.; Brédas, J.-L. Chem. Rev. 2007, 107, 926-952.
(7) Dong, H.; Fu, X.; Liu, J.; Wang, Z.; Hu, W. Adv. Mater. 2013, 25, 6158-6183.
(8) Yu, H.; Kim, D. Y.; Lee, K. J.; Oh, J. H. J. nanosci. nanotechnol. 2014, 14, 1282-1302.
(9) Park, S. K.; Kim, J. H.; Yoon, S.-J.; Kwon, O. K.; An, B.-K.; Park, S. Y. Chem. Mater. 2012, 24, 3263-3268.
(10) Li, F.; Nathan, A.; Wu, Y.; Ong, B. S. Organic Thin Film Transistor Integration: A Hybrid Approach; John Wiley &; Sons, 2013.
(11) Kim, D. H.; Lee, D. Y.; Lee, H. S.; Lee, W. H.; Kim, Y. H.; Han, J. I.; Cho, K. Adv. Mater. 2007, 19, 678-682.
(12) Chang, M.; Choi, D.; Fu, B.; Reichmanis, E. ACS nano 2013, 7, 5402-5413.
(13) Lee, W. H.; Cho, J. H.; Cho, K. J. Mater. Chem. 2010, 20, 2549-2561.
(14) Giri, G.; Verploegen, E.; Mannsfeld, S. C.; Atahan-Evrenk, S.; Kim, D. H.; Lee, S. Y.; Becerril, H. A.; Aspuru-Guzik, A.; Toney, M. F.; Bao, Z. Nature 2011, 480, 504-508.
(15) Dholakia, G. R.; Meyyappan, M.; Facchetti, A.; Marks, T. J. Nano Lett. 2006, 6, 2447-2455.
(16) Tseng, C.-W.; Tao, Y.-T. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12441-12450.
(17) Shao, W.; Dong, H.; Jiang, L.; Hu, W. Chem. Sci. 2011, 2, 590-600.
(18) Virkar, A. A.; Mannsfeld, S.; Bao, Z.; Stingelin, N. Adv. Mater. 2010, 22, 3857-3875.
(19) Wang, C.; Dong, H.; Hu, W.; Liu, Y.; Zhu, D. Chem. Rev. 2011, 112, 2208-2267.
(20) Wang, L.; Nan, G.; Yang, X.; Peng, Q.; Li, Q.; Shuai, Z. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 423-434.
(21) Anthony, J. E.; Brooks, J. S.; Eaton, D. L.; Parkin, S. R. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 9482-9483.
(22) da Silva Filho, D. A.; Kim, E. G.; Brédas, J. L. Adv. Mater. 2005, 17, 1072-1076.
(23) Wang, M.; Li, J.; Zhao, G.; Wu, Q.; Huang, Y.; Hu, W.; Gao, X.; Li, H.; Zhu, D. Adv. Mater. 2013, 25, 2229-2233.
(24) Weng, S.-Z.; Hu, W.-S.; Kuo, C.-H.; Tao, Y.-T.; Fan, L.-J.; Yang, Y.-W. Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 172103.
(25) Knipp, D.; Street, R.; Krusor, B.; Apte, R.; Ho, J. J. Non-Cryst. Solids 2002, 299, 1042-1046.
(26) Park, S. K.; Jackson, T. N.; Anthony, J. E.; Mourey, D. A. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 063513-063514.
(27) Liu, J.; Sun, Y.; Gao, X.; Xing, R.; Zheng, L.; Wu, S.; Geng, Y.; Han, Y. Langmuir 2011, 27, 4212-4219.
(28) Schuettfort, T.; Thomsen, L.; McNeill, C. R. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1092-1101.
(29) Chen, M. S.; Niskala, J. R.; Unruh, D. A.; Chu, C. K.; Lee, O. P.; Fréchet, J. M. Chem. Mater. 2013, 25, 4088-4096.
(30) Podzorov, V.; Menard, E.; Borissov, A.; Kiryukhin, V.; Rogers, J.; Gershenson, M. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 086602.
(31) Sundar, V. C.; Zaumseil, J.; Podzorov, V.; Menard, E.; Willett, R. L.; Someya, T.; Gershenson, M. E.; Rogers, J. A. Science 2004, 303, 1644-1646.
(32) Yamagishi, M.; Takeya, J.; Tominari, Y.; Nakazawa, Y.; Kuroda, T.; Ikehata, S.; Uno, M.; Nishikawa, T.; Kawase, T. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 182113-182117.
(33) Hsu, C.; Deng, J.; Staddon, C.; Beton, P. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 193505.
(34) Aleshin, A.; Lee, J.; Chu, S.; Kim, J.; Park, Y. Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 5383-5385.
(35) Reese, C.; Chung, W.-J.; Ling, M.-m.; Roberts, M.; Bao, Z. Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 202108.
(36) Jurchescu, O. D.; Popinciuc, M.; van Wees, B. J.; Palstra, T. T. Adv. Mater. 2007, 19, 688-692.
(37) Holmes, D.; Kumaraswamy, S.; Matzger, A. J.; Vollhardt, K. P. C. Chem. Eur. J. 1999, 5, 3399-3412.
(38) Troisi, A.; Orlandi, G. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 4065-4070.
(39) Gruhn, N. E.; da Silva Filho, D. A.; Bill, T. G.; Malagoli, M.; Coropceanu, V.; Kahn, A.; Brédas, J.-L. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 7918-7919.
(40) Jiang, L.; Hu, W.; Wei, Z.; Xu, W.; Meng, H. Adv. Mater. 2009, 21, 3649-3653.
(41) Okamoto, T.; Kudoh, K.; Wakamiya, A.; Yamaguchi, S. Org. Lett. 2005, 7, 5301-5304.
(42) Lehnherr, D.; Waterloo, A. R.; Goetz, K. P.; Payne, M. M.; Hampel, F.; Anthony, J. E.; Jurchescu, O. D.; Tykwinski, R. R. Org. Lett. 2012, 14, 3660-3663.
(43) Kline, R. J.; McGehee, M. D.; Kadnikova, E. N.; Liu, J.; Fréchet, J. M. Adv. Mater. 2003, 15, 1519-1522.
(44) Zhang, R.; Li, B.; Iovu, M. C.; Jeffries-EL, M.; Sauvé, G.; Cooper, J.; Jia, S.; Tristram-Nagle, S.; Smilgies, D. M.; Lambeth, D. N. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 3480-3481.
(45) Osaka, I.; Akita, M.; Koganezawa, T.; Takimiya, K. Chem. Mater. 2012, 24, 1235-1243.
(46) Lei, T.; Cao, Y.; Zhou, X.; Peng, Y.; Bian, J.; Pei, J. Chem. Mater. 2012, 24, 1762-1770.
(47) Chen, H.; Guo, Y.; Yu, G.; Zhao, Y.; Zhang, J.; Gao, D.; Liu, H.; Liu, Y. Adv. Mater. 2012, 24, 4618-4622.
(48) Horowitz, G. Adv. Mater. 1998, 10, 365-377.
(49) Liu, S.; Wang, W. M.; Briseno, A. L.; Mannsfeld, S. C.; Bao, Z. Adv. Mater. 2009, 21, 1217-1232.
(50) Halik, M.; Klauk, H.; Zschieschang, U.; Schmid, G.; Radlik, W.; Ponomarenko, S.; Kirchmeyer, S.; Weber, W. J. Appl. Phys. 2003, 93, 2977-2981.
(51) Wasserman, S. R.; Tao, Y. T.; Whitesides, G. M. Langmuir 1989, 5, 1074-1087.
(52) Kim, D.; Park, Y.; Jang, Y.; Yang, H.; Kim, Y. H.; Han, J.; Moon, D.; Park, S.; Chang, T.; Chang, C. Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 77-82.
(53) Shukla, D.; Nelson, S. F.; Freeman, D. C.; Rajeswaran, M.; Ahearn, W. G.; Meyer, D. M.; Carey, J. T. Chem. Mater. 2008, 20, 7486-7491.
(54) Oh, J. H.; Lee, W.-Y.; Noe, T.; Chen, W.-C.; Könemann, M.; Bao, Z. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4204-4207.
(55) Gao, X.; Di, C.-a.; Hu, Y.; Yang, X.; Fan, H.; Zhang, F.; Liu, Y.; Li, H.; Zhu, D. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 3697-3699.
(56) Rivnay, J.; Jimison, L. H.; Northrup, J. E.; Toney, M. F.; Noriega, R.; Lu, S.; Marks, T. J.; Facchetti, A.; Salleo, A. Nature Mater. 2009, 8, 952-958.
(57) Yao, Y.; Dong, H.; Hu, W. Polym. Chem. 2013, 4, 5197-5205.
(58) Dong, H.; Li, H.; Wang, E.; Yan, S.; Zhang, J.; Yang, C.; Takahashi, I.; Nakashima, H.; Torimitsu, K.; Hu, W. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 4176-4180.
(59) Dong, H.; Li, H.; Wang, E.; Wei, Z.; Xu, W.; Hu, W.; Yan, S. Langmuir 2008, 24, 13241-13244.
(60) Dong, H.; Jiang, S.; Jiang, L.; Liu, Y.; Li, H.; Hu, W.; Wang, E.; Yan, S.; Wei, Z.; Xu, W. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17315-17320.
(61) Li, L.; Tang, Q.; Li, H.; Yang, X.; Hu, W.; Song, Y.; Shuai, Z.; Xu, W.; Liu, Y.; Zhu, D. Adv. Mater. 2007, 19, 2613-2617.
(62) James, D. T.; Frost, J. M.; Wade, J.; Nelson, J.; Kim, J.-S. ACS nano 2013, 7, 7983-7991.
(63) Marszalek, T.; Wiatrowski, M.; Dobruchowska, E.; Jung, J.; Ulanski, J. J. Mater. Chem. C 2013, 1, 3190-3193.
(64) Pisula, W.; Menon, A.; Stepputat, M.; Lieberwirth, I.; Kolb, U.; Tracz, A.; Sirringhaus, H.; Pakula, T.; Müllen, K. Adv. Mater. 2005, 17, 684-689.
(65) Becerril, H. A.; Roberts, M. E.; Liu, Z.; Locklin, J.; Bao, Z. Adv. Mater. 2008, 20, 2588-2594.
(66) Liu, Z.; Becerril, H. A.; Roberts, M. E.; Nishi, Y.; Bao, Z. IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES 2009, 56, 176-185.
(67) Diao, Y.; Tee, B. C.; Giri, G.; Xu, J.; Kim, D. H.; Becerril, H. A.; Stoltenberg, R. M.; Lee, T. H.; Xue, G.; Mannsfeld, S. C. Nature Mater. 2013, 12, 665-671.
(68) Liu, Z.; Oh, J. H.; Roberts, M. E.; Wei, P.; Paul, B. C.; Okajima, M.; Nishi, Y.; Bao, Z. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 203301.
(69) Grosso, D. J. Mater. Chem. 2011, 21, 17033-17038.
(70) Nam, S.; Jang, J.; Anthony, J. E.; Park, J.-J.; Park, C. E.; Kim, K. | ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 2146-2154.
(71) Jang, J.; Nam, S.; Im, K.; Hur, J.; Cha, S. N.; Kim, J.; Son, H. B.; Suh, H.; Loth, M. A.; Anthony, J. E. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 1005-1014.
(72) Sele, C. W.; Kjellander, B.; Niesen, B.; Thornton, M. J.; Van der Putten, J.; Myny, K.; Wondergem, H. J.; Moser, A.; Resel, R.; van Breemen, A. J. Adv. Mater. 2009, 21, 4926-4931.
(73) Huang, J.; Fan, R.; Connor, S.; Yang, P. Angew. Chem. 2007, 119, 2466-2469.
(74) Hirst, A. R.; Escuder, B.; Miravet, J. F.; Smith, D. K. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 8002-8018.
(75) Wang, S.; Pisula, W.; Müllen, K. J. Mater. Chem. 2012, 22, 24827-24831.
(76) Oh, J. H.; Lee, H. W.; Mannsfeld, S.; Stoltenberg, R. M.; Jung, E.; Jin, Y. W.; Kim, J. M.; Yoo, J.-B.; Bao, Z. PNAS. 2009, 106, 6065-6070.
(77) Jiang, L.; Dong, H.; Hu, W. J. Mater. Chem. 2010, 20, 4994-5007.
(78) Akkerman, H. B.; Chang, A. C.; Verploegen, E.; Bettinger, C. J.; Toney, M. F.; Bao, Z. Org. Electron. 2012, 13, 235-243.
(79) Kim, A.; Jang, K. S.; Kim, J.; Won, J. C.; Yi, M. H.; Kim, H.; Yoon, D. K.; Shin, T. J.; Lee, M. H.; Ka, J. W. Adv. Mater. 2013, 25, 6219-6225.
(80) Mele, E.; Lezzi, F.; Polini, A.; Altamura, D.; Giannini, C.; Pisignano, D. J. Mater. Chem. 2012, 22, 18051-18056.
(81) Jo, P. S.; Vailionis, A.; Park, Y. M.; Salleo, A. Adv. Mater. 2012, 24, 3269-3274.
(82) Cavallini, M.; Stoliar, P.; Moulin, J.-F.; Surin, M.; Leclère, P.; Lazzaroni, R.; Breiby, D. W.; Andreasen, J. W.; Nielsen, M. M.; Sonar, P. Nano Lett. 2005, 5, 2422-2425.
(83) Lee, W. H.; Kim, D. H.; Jang, Y.; Cho, J. H.; Hwang, M.; Park, Y. D.; Kim, Y. H.; Han, J. I.; Cho, K. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 132106.
(84) Li, H.; Tee, B. C.; Cha, J. J.; Cui, Y.; Chung, J. W.; Lee, S. Y.; Bao, Z. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2760-2765.
(85) Nagamatsu, S.; Takashima, W.; Kaneto, K.; Yoshida, Y.; Tanigaki, N.; Yase, K. Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 4608-4610.
(86) Biniek, L.; Leclerc, N.; Heiser, T.; Bechara, R.; Brinkmann, M. Macromolecules 2013, 46, 4014-4023.
(87) Tseng, H.-R.; Ying, L.; Hsu, B. B.; Perez, L. A.; Takacs, C. J.; Bazan, G. C.; Heeger, A. J. Nano Lett. 2012, 12, 6353-6357.
(88) Choi, D.; Ahn, B.; Kim, S. H.; Hong, K.; Ree, M.; Park, C. E. Appl. Mater. Interfaces 2011, 4, 117-122.
(89) Chang, J.; Chi, C.; Zhang, J.; Wu, J. Adv. Mater. 2013, 25, 6442-6447.
(90) Yoo, B.; Jones, B. A.; Basu, D.; Fine, D.; Jung, T.; Mohapatra, S.; Facchetti, A.; Dimmler, K.; Wasielewski, M. R.; Marks, T. J. Adv. Mater. 2007, 19, 4028-4032.
(91) Li, H.; Fan, C.; Vosgueritchian, M.; Tee, B. C. K.; Chen, H. J. Mater. Chem. C 2014, 2, 3617.
(92) Kim, J.; Cho, S.; Kang, J.; Kim, Y.-H.; Park, S. K. Appl. Mater. Interfaces 2014,6,7133-7140.
(93) Tapponnier, A.; Biaggio, I.; Gunter, P. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 112113-112114.
(94) Haddon, R.; Perel, A.; Morris, R.; Palstra, T.; Hebard, A.; Fleming, R. Appl. Phys. Lett. 1995, 67, 121-123.
(95) Wang, J. D.; Douville, N. J.; Takayama, S.; ElSayed, M. Ann. biomed. eng. 2012, 40, 1862-1873.
(96) Toepke, M. W.; Beebe, D. J. Lab Chip 2006, 6, 1484-1486.
(97) Robinson, T.; Schaerli, Y.; Wootton, R.; Hollfelder, F.; Dunsby, C.; Baldwin, G.; Neil, M.; French, P. Lab Chip 2009, 9, 3437-3441.
(98) Jia, Y.; Liu, X.-Y. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 6949-6955.
(99) Braga, D.; Horowitz, G. Adv. Mater. 2009, 21, 1473-1486.
(100) Park, C.; Song, H. J.; Choi, H. C. Chem. Commun. 2009, 4803-4805.
(101) Masuhara, A.; Tan, Z.; Ikeshima, M.; Sato, T.; Kasai, H.; Oikawa, H.; Nakanishi, H. CrystEngComm. 2012, 14, 7787-7791.
(102) Yao, M.; Andersson, B. M.; Stenmark, P.; Sundqvist, B.; Liu, B.; Wågberg, T. Carbon 2009, 47, 1181-1188.
(103) Larsen, C.; Barzegar, H. R.; Nitze, F.; Wågberg, T.; Edman, L. Nanotechnology 2012, 23, 344015.
(104) Epstein, A. K.; Pokroy, B.; Seminara, A.; Aizenberg, J. PNAS. 2011, 108, 995-1000.
(105) Janssen, D.; De Palma, R.; Verlaak, S.; Heremans, P.; Dehaen, W. Thin Solid Films 2006, 515, 1433-1438.
(106) Lee, J.; Kim, K.; Kim, J. H.; Im, S.; Jung, D.-Y. Appl. Phys. Lett. 2003, 82, 4169-4171.
(107) Ji, H.-X.; Hu, J.-S.; Wan, L.-J.; Tang, Q.-X.; Hu, W.-P. J. Mater. Chem. 2008, 18, 328-332.
(108) Wang, L.; Liu, B.; Liu, D.; Yao, M.; Hou, Y.; Yu, S.; Cui, T.; Li, D.; Zou, G.; Iwasiewicz, A. Adv. Mater. 2006, 18, 1883-1888.
(109) Li, H.; Mei, J.; Ayzner, A. L.; Toney, M. F.; Tok, J. B.-H.; Bao, Z. Org. Electron. 2012, 13, 2450-2460.
(110) Soeda, J.; Hirose, Y.; Yamagishi, M.; Nakao, A.; Uemura, T.; Nakayama, K.; Uno, M.; Nakazawa, Y.; Takimiya, K.; Takeya, J. Adv. Mater. 2011, 23, 3309-3314.
(111) Liu, C.; Minari, T.; Lu, X.; Kumatani, A.; Takimiya, K.; Tsukagoshi, K. Adv. Mater. 2011, 23, 523-526.