複合式有機半導體薄膜之電子結構與電性分析

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研究生：	詹盛文 Chan, Sheng-Wen
論文名稱：	複合式有機半導體薄膜之電子結構與電性分析 Electronic Structure and Electrical Property of Bilayer Organic Semiconducting Thin Films
指導教授：	楊耀文 Yang, Yaw-Wen
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 化學系 Department of Chemistry
論文出版年：	2010
畢業學年度：	98
語文別：	中文
論文頁數：	108
中文關鍵詞：	有機薄膜、介面
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本論文我們探討將兩種p型半導體材料，pentacene (PTC)與anthradithiophene (ADT)，依疊層結構或混合結構來製作有機薄膜，並且利用X光光電子發射能譜 (X-ray Photoemission Spectroscopy，XPS)、紫外光光電子能譜 (Ultraviolet Photoemission Spectroscopy，UPS)和原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope，AFM)等表面分析技術量測薄膜之分子能階狀態及表面成長形貌。再進一步運用這些有機半導體薄膜來製作有機場效電晶體元件並量測其載子遷移率等電性，綜合探討薄膜材料之電子能階、表面形貌與電性表現三者之間的關係。
疊層結構中，我們從UPS與XPS能譜中發現octadecyltrichlorosilane (OTS)與有機分子材料之介面有能帶彎曲現象，約有0.4 eV能帶偏移，而兩有機分子材料之間並未發生能帶彎曲現象。且我們發現ADT/PTC/SiO2有機薄膜之HOMO位置與費米能階之能量差值相當低，約0.32 eV，反映此結構有助於降低載子注入能障。實際利用此結構製作有機薄膜電晶體，量測載子遷移率為
2×10-2 cm2/Vs，比ADT/SiO2的載子遷移率7.4×10-3 cm2/Vs還要高。
從XPS特徵峰對膜厚度之變化關係與AFM影像所提供之形貌變化資訊，我們得知PTC成長在ADT薄膜上為近似二維成長模式，而ADT成長在PTC薄膜上為近似三維成長模式。最後我們以共蒸鍍製作混合結構有機薄膜，並以UPS能譜、AFM相移圖、XRD繞射圖，三種實驗技術看出混合結構確實有混合，而不是以相分離形式存在。從XRD繞射圖中看出混合結構有別於PTC與ADT，(200)繞射峰強度特別強，說明混合結構傾向延著a軸方向成長。

第一章 序論    1
1-1 前言    1
1-2 有機薄膜電晶體相關之介面的研究    4
1-2-1電極/有機半導體層    5
1-2-2介電層/有機半導體層    5
1-2-3有機半導體層/有機半導體層    7
1-2-4環境對有機半導體層之影響    8
1-3 研究動機與目的    9
第二章 實驗技術背景及原理簡述    11
2-1 同步輻射光源(synchrotron radiation source)    11
2-2  X光光電子發射能譜 (X-ray Photoemission Spectroscopy，XPS)原理    13
2-3 紫外光光電子能譜 (Ultraviolet  Photoemission Spectroscopy，UPS) 原理    16
2-4 原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope，AFM) 原理    19
2-5 超高真空系統    21
2-6  in-situ真空蒸鍍及量測    23
2-7 有機薄膜場效電晶體的工作原理    24
第三章 實驗藥品、儀器設備與實驗步驟    30
3-1 實驗藥品    30
3-2實驗儀器    32
3-3  Piranha 溶液清洗矽晶片    33
3-4 自我組裝薄膜成長程序    33
3-5 有機薄膜電晶體製作流程    34
3-6 場效電晶體量測系統與量測流程    37
3-7 有機薄膜電晶體載子遷移率量測    38
3-8  XPS實驗方式與數據處理    40
3-9  UPS實驗方式與數據處理    41
3-10 有機薄膜電晶體的製作與量測    42
3-11  AFM實驗方式    42
第四章 疊層結構薄膜之實驗結果與討論    44
4-1  疊層結構薄膜之UPS光譜測量與討論    45
4-1-1  PTC/ADT/SiO2之UPS能譜    45
4-1-2  ADT/PTC/SiO2之UPS能譜    49
4-1-3  PTC/ADT/OTS/SiO2之UPS能譜    51
4-1-4  ADT/PTC/OTS/SiO2之UPS能譜    53
4-2  疊層結構薄膜之XPS光譜測量與討論    55
4-2-1  PTC/ADT/SiO2之XPS能譜    57
4-2-2  ADT/PTC/SiO2之XPS能譜    58
4-2-3  PTC/ADT/OTS/SiO2之XPS能譜    59
4-2-4  ADT/PTC/OTS/SiO2之XPS能譜    60
4-3 疊層結構之能階圖(Energy level diagram)    65
4-5 疊層結構有機薄膜之AFM影像    73
4-6 疊層結構之有機薄膜電晶體的電性表現量測    76
4-7  ADT/PTC/SiO2架構之有機薄膜電晶體    77
第五章 混合結構薄膜之實驗結果與討論    83
5-1  混合結構有機薄膜之UPS量測    83
5-2  混合結構有機薄膜之AFM影像    90
5-3  混合結構有機薄膜之XRD量測    94
5-4  混合結構之有機薄膜電晶體之電性表現    99
第六章 結論    102
第七章 參考資料    105

                                

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