第二十一卷 第六期 - 2012年二月二十四日 PDF
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長時間操作高分子薄膜電晶體: 電場誘導聚3-己烷基塞吩增強共軛高分子鏈的有序程度與電荷傳輸性質
鄭弘隆1,*、林桎葦1、張明峯1、吳富喬1、周維揚1、張明華1、與 趙慶勳2
1 光電科學與工程研究所、微奈米科技研究中心、尖端光電中心,國立成功大學
2 材料科學與工程學系,私立明道大學
 
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分子薄膜電晶體有極大潛力可應用於軟式顯示器與廉價的有機電子產品。於實際的元件應用,研究經過多次的周期性或長時間的操作後,所導致的高分子主動層的微結構和半導體特性的任何改變是一重要的課題。本研究中,我們發現長期操作可改善電晶體通道內的共軛高分子之微結構性質,同時,也獲得改善的電晶體電特性。利用偏振吸收光譜與偏振微拉曼光譜直接探測位於電晶體通道內的聚3-己烷基塞吩的微結構改變(如圖1),吾人可獲得元件操作前後的激子帶寬、分子鏈間之電子藕合、以及有效共軛長度的變化,因此容許我們深入研究長時間元件操作對高分子鏈之有序程度與電荷傳輸性質的影響。
圖 1. 電晶體元件結構與偏振光譜量測裝置示意圖。右圖:元件通道內的聚3-己烷基塞吩(rr-P3HT)結構示意圖
本研究所製備的聚3-己烷基塞吩電晶體擁有良好的電特性,如圖2所示。長期操作後,元件相較於初始狀態有較高的輸出電流、改進的載子遷移率、較陡的次臨界擺幅。經過長時間的保存後,元件仍然工作正常。這些結果指出高分子薄膜電晶體具有優良的穩定性與可靠性。為了探究可能的物理機制,我們使用偏振吸收光譜跟偏振微拉曼光譜去記錄電晶體內聚3-己烷基塞吩的微結構變化,因此提供長期操作後所獲致改善電特性的佐證。我們發現即使只施以元件汲極電場()(圖3a)或閘極電場() (圖3b),即可觀察到聚3-己烷基塞吩於吸收光譜的改變。我們觀察到平行汲極電場的方向,高分子鏈的有效共軛鏈長明顯增加,因此指出汲極電場可增加高分子鏈有序性,因而產生異向結構特性。有趣的事,若僅施以閘極電場,吸收光譜顯示相反的趨勢,此結果建議閘極電場將破壞聚3-己烷基塞吩薄膜內的有序結構,因而增加薄膜內的無序與非結晶部分。拉曼光譜的結果也能證明閘極電場將增加聚3-己烷基塞吩薄膜內的結構缺陷,以及減少高分子鏈的有效共軛鏈長。
圖 2. 典型聚3-己烷基塞吩電晶體的電特性,比較長時間操作前與後的電性曲線變化:(a)於特定有效閘極偏壓下的輸出曲線(VGS’= VGS-Vth),細線代表元件的初始狀態。長期操作後,元件於九小時內被施以九次完整電性掃描,如圖中填滿區域內的曲線;(b) 線性區和 (c) 飽和區的電轉換曲線。符號: (■)初期狀態,(●)與(▲)分別為第一次與第二次經過四小時連續操作後的電性,(▼)經過第二輪連續操作後和再經過九小時內施以九次完整掃描的電性;(d)比較第一次和第二次連續操作時,輸出電流隨時間變化圖。
圖 3. 比較操作前(曲線1)和操作後(曲線2)聚3-己烷基塞吩於電晶體元件通道內的吸收光譜, (a) 汲極偏壓效應(VDS = -60 V ,連續操作 103秒) 和 (b) 閘極偏壓效應 (VGS = -40V,連續操作 104秒)。X 和 Y 各別是平行和垂直元件通道方向。括弧內數值激子能帶寬。
總結,我們已經證明高分子電晶體經過長時間操作後,外加水平電場可增強高分子鏈的次序性,因此提昇元件性能。我們提出電場偶極交互作用模型,可成功解釋高分子鏈於不同電場下的結構演化。此新論點也可解釋先前不完全了解的閘極偏壓誘導元件產生不穩定的現象。我們相信電場誘導分子鏈產生順向性的概念能夠提供一種有效的方法,使高分子鏈具有高度的次序性與異向性結構特性。
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