Luận án tiến sĩ: Design and synthesis of organic semiconductors for use in organic field effect transistors

Luận án tiến sĩ tập trung thiết kế, tổng hợp chất bán dẫn hữu cơ mới. Ứng dụng chúng trong transistor trường hiệu ứng hữu cơ (OFETs) tiên tiến.

Trường ĐH

University of California, Berkeley

Chuyên ngành
Chemistry
Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

235

Thời gian đọc

36 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tóm tắt nội dung

I.Tối ưu hóa chất bán dẫn hữu cơ cho OFET giá rẻ

Luận án này tập trung vào thiết kế, tổng hợp chất bán dẫn hữu cơ. Mục tiêu là ứng dụng chúng trong transistor trường hiệu ứng hữu cơ (OFET). Đề tài giải quyết nhu cầu về vật liệu điện tử chi phí thấp, diện tích lớn. Đặc biệt, nghiên cứu tìm cách vượt qua hạn chế về độ hòa tan của vật liệu mới. Điều này rất quan trọng cho các phương pháp xử lý dung dịch.

1.1. Nhu cầu chất bán dẫn hữu cơ giá thành thấp.

Chất bán dẫn hữu cơ (OSC) đang tiến bộ nhanh chóng. Tính chất của chúng cạnh tranh với silicon vô định hình. OSC được tìm kiếm cho thiết bị điện tử giá rẻ hoặc diện tích lớn. Các ứng dụng bao gồm OFET, điốt phát quang hữu cơ (OLED), pin quang điện, cảm biến và thẻ RFID. Vật liệu hữu cơ mang lại khả năng xử lý ở nhiệt độ thấp. Chúng cũng dẻo, cho phép sử dụng chất nền bằng nhựa hoặc vải linh hoạt. Đây là lợi thế lớn so với vật liệu truyền thống.

1.2. Thách thức hòa tan trong sản xuất OFET hàng loạt.

Phần lớn vật liệu OSC mới phát triển không hòa tan. Điều này đòi hỏi phương pháp bay hơi nhiệt để tạo màng mỏng. Để OSC cạnh tranh với silicon về chi phí thấp, cần phương pháp sản xuất quy mô lớn. Các phương pháp này bao gồm cuộn-cuộn liên tục, xử lý dựa trên dung dịch. Ví dụ như phủ quay, in ấn. Luận án tập trung vào các phương pháp hòa tan. Nó cũng kiểm soát sự tự lắp ráp của oligomer liên hợp. Điều này nhằm tối đa hóa tính chất bán dẫn từ quy trình dựa trên dung dịch.

II.Chiến lược hòa tan oligothiophene cấu trúc màng

Nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc tạo ra các oligothiophene hòa tan. Các vật liệu này có khả năng tự lắp ráp. Điều này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất điện tử. Luận án xem xét chi tiết cấu trúc và đặc tính của chúng.

2.1. Thiết kế oligothiophene hòa tan tự lắp ráp.

Hai chương đầu tiên thảo luận về nỗ lực ban đầu. Mục tiêu là sản xuất oligothiophene hòa tan. Những oligomer này có khả năng tự lắp ráp. Chương 2 tập trung vào oligomer heptathiophene có chức năng ở vị trí B. Chương 3 xem xét các dẫn xuất oligothiophene được thay thế ở vị trí a-a’. Các thiết kế này nhằm cải thiện độ hòa tan. Chúng cũng hướng đến khả năng hình thành cấu trúc màng tốt.

2.2. Đặc tính màng mỏng đa dạng cho ứng dụng OFET.

Các đặc tính hình thái, cơ học và điện được nghiên cứu kỹ lưỡng. Các loại màng bao gồm màng bay hơi nhiệt, màng nhỏ giọt. Màng đơn lớp và đa lớp Langmuir-Blodgett (LB) cũng được phân tích. Các màng này được chế tạo trên silicon dioxide và mica. Nghiên cứu chi tiết giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa cấu trúc vật liệu và hiệu suất thiết bị. Điều này rất quan trọng cho việc phát triển OFET hiệu quả.

III.Tổng hợp nhóm hòa tan nhiệt đặc tính vật liệu

Một phương pháp tổng hợp mới được phát triển. Nó cho phép đưa các nhóm hòa tan có thể loại bỏ bằng nhiệt vào chất bán dẫn hữu cơ. Chiến lược này cải thiện khả năng xử lý dung dịch mà không ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của vật liệu.

3.1. Phát triển phương pháp tổng hợp nhóm hòa tan tiện lợi.

Chương 4 trình bày một phương pháp tổng hợp mới. Phương pháp này cho phép kết hợp các nhóm hòa tan có thể loại bỏ bằng nhiệt. Nhóm này được đưa vào chất bán dẫn hữu cơ. Phương pháp được chứng minh bằng cách sử dụng một oligomer sexithiophene. Việc tổng hợp và đặc tính hóa học được mô tả.

3.2. Phân tích cấu trúc hiệu suất màng từ dung dịch.

Luận án cung cấp đặc tính chuyên sâu. Các màng oligomer được xử lý từ dung dịch. Các kỹ thuật như kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) và quang phổ NEXAFS được sử dụng. Chủ đề này tiếp tục ở Chương 5. Một loạt các oligomer có chức năng với các nhóm hòa tan này được chuẩn bị. Mục tiêu là suy ra các mối quan hệ cấu trúc-tính chất khác nhau. Điều này giúp tối ưu hóa thiết kế vật liệu.

IV.Chế tạo OFET từ màng mỏng hiệu suất thiết bị

Ứng dụng thực tế của các vật liệu được tổng hợp được thể hiện qua việc chế tạo OFET. Hiệu suất của các thiết bị này được đánh giá kỹ lưỡng, chứng minh hiệu quả của các phương pháp hòa tan mới.

4.1. Ứng dụng nhóm hòa tan trong chế tạo OFET hiệu quả.

Các transistor trường hiệu ứng hữu cơ (OFET) được chế tạo. Chúng sử dụng màng quay của các oligomer này. Các giá trị hiệu suất so sánh được với các oligomer thiophene bay hơi nhiệt tốt nhất. Những kết quả này đã được báo cáo trong tài liệu. Điều này chứng minh tính hữu ích của phương pháp hòa tan đã phát triển. Phương pháp này cho phép sản xuất OFET hiệu suất cao bằng quy trình dựa trên dung dịch.

4.2. Đặc tính truyền tải điện tích trong bán dẫn hữu cơ.

Hiệu suất cao của OFET cho thấy việc tối ưu hóa truyền tải điện tích. Điều này đạt được thông qua kiểm soát cấu trúc và hình thái vật liệu. Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách các nhóm chức năng ảnh hưởng đến đặc tính điện tử. Nó mở đường cho việc phát triển các thiết bị điện tử hữu cơ tiên tiến hơn. Độ ổn định của thiết bị cũng được coi trọng.

V.OFET đơn lớp polythiophene cho chất bán dẫn tiên tiến

Nghiên cứu mở rộng sang việc sử dụng các lớp đơn tự lắp ráp và polythiophene mới. Mục tiêu là phát triển các vật liệu bán dẫn hữu cơ tiên tiến hơn. Các vật liệu này có tiềm năng cho các ứng dụng điện tử tương lai.

5.1. Thiết bị OFET dựa trên đơn lớp tự lắp ráp.

Chương 6 báo cáo về các thiết bị OFET đầu tiên. Chúng được chế tạo từ các lớp đơn tự lắp ráp. Các lớp đơn này của oligomer thiophene có chức năng đầu cuối. Các oligomer chứa nhóm liên kết organosilane và thiol đã được chuẩn bị và đặc trưng. Các màng đơn lớp được tạo ra bằng kỹ thuật lắng đọng dung dịch hoặc Langmuir-Blodgett. Đặc tính được thực hiện bằng AFM, phép đo độ dày (ellipsometry) và quang phổ NEXAFS. Hiệu suất và độ ổn định của các lớp đơn này được nghiên cứu trong OFET tiếp xúc đáy.

5.2. Polythiophene mới tiềm năng cho điện tử hữu cơ.

Chương 7 thảo luận về chiến lược tổng hợp. Chiến lược này phát triển cả polythiophene ngẫu nhiên vùng và đều vùng. Các polymer này chứa các nhóm carboxylate hút electron. Mặc dù các polymer này có độ dài liên hợp mở rộng, các đặc tính của chúng vẫn cần được khám phá thêm. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho vật liệu polymer bán dẫn. Nó hứa hẹn cải thiện hiệu suất trong các thiết bị điện tử hữu cơ.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ: Design and synthesis of organic semiconductors for use in organic field effect transistors

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (235 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

Design and Synthesis of Organic Semiconductors for use in Organic Field Effect Transistors By Amanda Ruth Murphy B. (Western Washington University) 2001 A dissertation submitted in partial satisfaction of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Chemistry in the GRADUATE DIVISION of the UNIVERSITY of CALIFORNIA at BERKELEY Committee in charge: Professor Jean M. Fréchet, Chair Professor Peidong Yang Professor Vivek Subramanian Spring 2006 UMI Number: 3228434 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction.

In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion. ® UMI UMI Microform 3228434 Copyright 2006 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved.

This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P. Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 Design and Synthesis of Organic Semiconductors for Use in Organic Field Effect Transistors Copyright © 2006 By Amanda Ruth Murphy Abstract Design and Synthesis of Organic Semiconductors for Use in Organic Field Effect Transistors By Amanda Ruth Murphy Doctor of Philosophy in Chemistry University of California, Berkeley Professor Jean M. Fréchet, Chair In the past ten years, much progress has been made in producing organic semiconductors with properties that rival amorphous silicon.

Organic semiconductors are sought for low-cost or large-area electronic devices such as organic field-effect transistors (OFETs), light-emitting diodes (OLEDs), photovoltaic cells, sensors, and radio frequency identification (RFID) tags. Low temperature processing options and the ductility of organic materials also allow flexible plastics or fabrics to be used as substrates. However, the majority of the newly developed materials are insoluble requiring the use of thermal evaporation to obtain thin films. In order for these organic semiconductors to compete as ‘low cost’ alternatives to silicon, manufacturers must be able to use large-area, continuous, reel-to-reel methods for production, which would likely involve the solution-based deposition methods such as spin coating, stamping, or printing.

Therefore, our work has focused on methods for solubilizing and controlling the self-assembly of conjugated oligomers in order to maximize the semiconducting properties from solution-based processes. Chapter 1 gives a general overview of charge transfer in organic semiconductors, and describes how devices are fabricated and tested. An extensive review of the literature on solution processed p- and n-type oligomers is also given. Chapter 2 and 3 discuss our initial attempts to produce soluble oligothiophenes capable of self-assembly.

Chapter 2 focuses on B-functionalized heptathiophene oligomers, while Chapter 3 deals with a-a’-substituted oligothiophene derivatives. The morphology, mechanical, and electrical properties of thermally evaporated, drop-cast and Langmuir-Blodgett (LB) monolayer and multilayer films on silicon dioxide and mica are studied in detail. A synthetic method for incorporating thermally removable solubilizing groups into organic semiconductors is outlined in Chapter 4, and demonstrated using a sexithiophene oligomer. The synthesis, chemical characterization, as well as an in-depth characterization of solution-processed films of this oligomer using AFM and NEXAFS spectroscopy is given.

This theme is carried over to Chapter 5, where a series of oligomers functionalized with these solubilizing groups were prepared in order to deduce various structure-property relationships. Organic field-effect transistors (OFETs) made from spun-cast films of these oligomers gave values are comparable with the best thermally evaporated thiophene oligomers reported in the literature, demonstrating the utility of our solubilizing method. In Chapter 6, we report the first OFET devices fabricated from self-assembled monolayers of end-functionalized thiophene oligomers. Oligomers containing organosilane and thiol binding groups were prepared and characterized.

Monolayer films were made using solution or Langmuir-Blodgett deposition techniques, and characterized by AFM, ellipsometry and NEXAFS spectroscopy. The performance and stability of these monolayers were investigated in bottom contact field-effect transistors. Finally, Chapter 7 discusses the synthetic strategy we have developed to access both regiorandom and regioregular polythiophenes containing electron-withdrawing carboxylate substituents. Although these polymers have extended conjugation lengths, they provide better oxidative doping stability than conventional polythiophenes due to the lowering of the HOMO energy levels by approximately 0.

High charge mobilities and on/off ratios are observed in OFETs fabricated entirely in air and remain stable over a period of months demonstrating the low propensity of these materials towards p- doping by molecular oxygen. Chair Date Table of Contents AcknowledgmeriS. ch HH KT KH Ki Ki SOLE KĐT iv Chapter 1: Introduction to Organic SemiconducfOrS. cuc nen nhe nén khe 1 0052.

eae enn EEE Anne aes 2 2. Conduction in Organic SemiconducforS.1 3D Structure and Charge Transport. cu nen nhe khe 4 2.2 Field Effect TransisfOFS. nn nn nh nh hờ 5 3.

Literature Review of Solution-Processed P-Type Oligomers. Literature Review of Solution-Processed N-Type Oligomers. EEG EEE SHES EEA ESHER EES23 Chapter 2: Synthesis of B-Functionalized Oligothiophenes and the Thin Film Morphology, Mechanical, and Electrical Propertfi@s. cuc nn nen nành he nhe 31 1.

cuc nh nH HH ng kế KT ĐC TK EERE EES 32 2. Results and DiscusSion. cuc non HH» by nh» nh hen KH tà tàn 32 2.1 Design and Synthesis.2 Evaporated and Solution Processed Film Morphology.3 Langmuir-Blodgett Monolayers of 'T7-COOH.4 OFET Device Construction and Performance. ng TH KH HH ch bà g3 kệ 49 4.

Materials and Methods. chen eee cent eae eeee eee es 50 5. nhàn bì ng nh nh eae 58 Chapter 3: Synthesis and AFM Studies of Carboxylic-Acid Functionalized Pentathio- phenes on Mica SuIÍaCc@S. LH nen nề nh» nh Đà kh rà 60 1.

In†fOdUCÍOP.- HH TH TT KH hà nà KT TT nh tà hy 61 2. Results and DiscUsSÌOn. cu HT nen nh bà ng nà Hà kh nh re 62 2. nen» nh nh nh nh tà62 2.2 Monolayer Film Formafion.

nh nén nh bà kén dao 64 2.3 Mechanical Properties of the Films.4 Dielectric and Electrical Dipole Properties of C10-5TBA Films. ác nành Hà HT HT HH KHE LH 80 4. Materials and Methods. cuc nn nhe nhe ĐH kh kết 81 5.

nhàn Hành HH HH KH KH HH ĐH C0 senses 89 Chapter 4: Film Morphology and Transistor Performance of Soluble Oligothiophene Derivatives Containing Thermally Removable Solubilizing Groups. HH HH HH TH KH KH kh ĐT ch BI 9 kg ha 93 2. Results and Discussion.-- HH HT ng vn nh khe 94 2.1 Oligomer Design and SyntheSis. che nhe nh nhe 94 2.3 Thin Film Morphology.4 Soft X-Ray Characterization of Thin Films.5 OFET Device Performance.

nen HH nhe 109 3.-- cá nén Hàn Hà HH HH KH Thi gi ĐH 114 4. Materials and Methods. con nh ng ng nhe 115 5. nành nhúnnà HH HH HH KH HH HH KH cà ền 128 Chapter 5: Molecular Ordering and Charge Mobility Trends In a Series of Solution- Processed Oligothiophene Ultrathin Films.

ch nh nàn Hà HH rà kế tà hi Là LHY 131 2. Results and Discussion.- ch nn «TH kh kh nhe 132 2.1 Oligomer Synthesis and Characterizafion.2 Thin Film Morphology. cc- nh nhe oe, 141 2.3 Molecular Orientation Evaluation by NEXAFS.4 Film Quality Analysis By NEXAFS. neers tetera ners 150 2.5 Film Morphology Discussion.

cu nhe nhe nhe Ha 152 2.6 OTFT Device Characterizafion.c nen nen nnn nhe hie 152 khe. Materials and Methods. ch nn kn kh nh nhà bến 156 "2. 182 Chapter 6: Self-Assembled Monolayer TransisfOFS.

nen nén nen hen 166 1. cu nh Hs HT» HT ĐK nh Ki EEE ch 167 2. Results and Discussion. cuc nen» nh nén he nhà ke 189 2.1 Oligomer Synth@SiS.- nen nh» Hs nh biet 169 2.2 Bulk Film Properties.3 Self-Assembled Monolayer Films.4 Langmuir-Blodgett Films.

Lee nh nh nh nh ve 177 3, Conclusions and Future Work. cece nh nh Hư bay 182 4. Materials and Methods.- nén nh nh KH ho bà rà 183 ban ¡ <=. 190 Chapter 7: Synthesis, Characterization, and Field-Effect Transistor Performance of Ester Functionalized Polythiophenes.

chen nh nh nh Ha 192 hoc n7 Add. Results and DiscUsSSiOn. ben» nhe Hàn He nà nha 194 2.1 Polymer Synthe@SiS. iu nen nen nh nh nề nh hà nen ens 194 2.-- Ác ĐH n HT Hà nhe Hà 203 2.

LG He HH ke nh nhe oa 205 KNe. Materials and Methods. cuc» nen nen ko hờn 210 ni ae. 216 Appendix A: Near-Edge X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy.-- LH HH rene eens esate Hs khi 220 A3.

HH HH TH KH KH HT kh Ki EU 224 11 Acknowledgements First, | would not be where | am today without several people who have encouraged me throughout my academic career. As far back as high school, Mr. Booth’s Advanced Chemistry/Physics class incited my love for science, and motivated me to pursue a science-oriented major in college. At Western, my advisor Steve Dillman was a constant source of encouragement throughout my five years in the engineering department.

My summer internship at IBM, working under the supervision of Robert Miller and Victor Lee, changed the course of my studies from engineering to chemistry. While at IBM, | was introduced to Professor Fréchet and without his help | would have never come to Berkeley. Professor Fréchet has been an outstanding mentor and an inspiration, and | am grateful that he gave me the chance to work in his laboratories. There are several people | have met here in Berkeley that have made the hardships of graduate school bearable and made my time here worthwhile.

My fellow classmates in the Fréchet group: Cameron Lee who tutored me through our first year of classes, Scott Baker for always having an inappropriate joke to make me laugh, and Stephany Standley. Cathy Liang and Brett Helms were the best lab-mates ever- they made me enjoy coming to work (even though Brett almost succeeded in setting me on fire!). The ‘Francis’ boys, especially Amish Patel, Neel Joshi, Jacob Hooker, and David Tilley, as well as Josh Goldberger were non-stop entertainment throughout the years. Lastly, | have to thank the ‘GNO’ club, Jen Prescher, Jenn Barbarow, Dorothea Fiedler and Stephany Standley, for many nights in the seedy clubs of SF! My family and friends back in Washington have also been a vital source of love and support.

My parents, Bill and Connie Murphy, are the most compassionate, generous, and devoted parents that anyone could ask for. My sister and brother, Michelle and Andre, have been great friends over the years, and | know they will always be there when | need them. 1V Lastly, my best girls, Suvantha Dickerson, Margen Carlson and Meghan Weston, have been an indispensable source of comfort and support, and are always good for a fantastic night out on the town! Finally- to my one and only John Matthew Antos- if for no other reason, | was meant to come to Berkeley to find you. | love you and | can’t wait to begin the next stage of our lives together in Boston.

Chapter 1 Introduction to Organic Semiconductors Abstract In the past ten years, there has been a flood of new research aimed at the development of organic semiconductors with properties that rival amorphous silicon. This chapter gives an overview of the basic charge transport mechanisms, device fabrication and electrical measurement, as well as a review of the literature on solution-processed oligomeric organic semiconductors. Introduction The solubility of organic semiconducting materials is a particularly important consideration when evaluating candidates for use in low cost electronic devices such as organic field-effect transistors (OFETs),'Š light-emitting diodes (OLEDs),** photovoltaic cells,"” 6-8 sensors,”"° and 11-13 radio frequency identification (RFID) tags, since the most economic processing methods for 3,14 15,16 these materials include solution-based methods such as spin coating," ˆ stamping, or ink-jet printing."”"® Suitably modified organic materials are compatible with solution processing techniques thereby eliminating the need for expensive lithography and vacuum deposition steps mandatory for most other solid-state materials such as silicon.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Từ khóa và chủ đề nghiên cứu


Câu hỏi thường gặp

Luận án "Luận án tiến sĩ: Design and synthesis of organic semiconductors for use in organic field effect transistors" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án tiến sĩ tập trung thiết kế, tổng hợp chất bán dẫn hữu cơ mới. Ứng dụng chúng trong transistor trường hiệu ứng hữu cơ (OFETs) tiên tiến.

Luận án "Luận án tiến sĩ: Design and synthesis of organic semiconductors for use in organic field effect transistors" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại University of California, Berkeley. Năm bảo vệ: 2006.

Luận án "Luận án tiến sĩ: Design and synthesis of organic semiconductors for use in organic field effect transistors" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Luận án tiến sĩ: Design and synthesis of organic semiconductors for use in organic field effect transistors" thuộc chuyên ngành Chemistry. Danh mục: Khoa Học Giáo Dục.

Luận án "Luận án tiến sĩ: Design and synthesis of organic semiconductors for use in organic field effect transistors" có bao nhiêu trang?

Luận án "Luận án tiến sĩ: Design and synthesis of organic semiconductors for use in organic field effect transistors" có 235 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Luận án tiến sĩ: Design and synthesis of organic semiconductors for use in organic field effect transistors" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter