摘要
有机半导体单晶薄膜具有长程有序的分子堆积以及极低的缺陷，被广泛应用于有机光电子器件中。然而，现有的有机单晶生长方法难以保证结晶取向的均匀性且无法对分子堆积结构进行调控，因此实现大面积、结构可控的有机单晶薄膜仍然具有一定的挑战。针对上述问题，本论文开展了以下两个工作: 一、晶种取向漏斗过滤法制备大面积C8-BTBT单晶薄膜及有机场效应晶体管性能的研究 本工作将晶种取向漏斗过滤的策略与可扩展的刮涂法相结合，实现排列整齐、结晶取向一致的有机半导体单晶薄膜的大规模生长。该方法以V形溶剂润湿区域作为漏斗，筛选出具有单一取向的晶种;之后在另一个溶剂浸润三角形区域进行横向与纵向扩展生长;最后，取向一致的品种进入到溶剂浸润/反浸润阵列的生长控制区，得到面积为1.5×1.5cm2的2，7-二辛基[1]苯并噻吩[3，2-b][1]苯并噻吩(C8-BTBT)单晶薄膜。制得的C8-BTBT单晶薄膜具有高的结晶质量，缺陷态密度仅为7.3×109cm-3。基于C8-BTBT单晶膜构筑的7×8的有机场效应晶体管(OFET)阵列，其平均迁移率为8.30cm2V-1s-1，是未使用“漏斗”过滤取向的多晶C8-BTBT薄膜（1.85cm2V-1s-1）的4.5倍。此外，C8-BTBT单晶OFETs在迁移率、阈值电压等关键参数上表现出优异的均一性，尤其是迁移率变异系数仅为9.8％，远低于其他溶液法制备的有机半导体薄膜(12.3-28.1％)和低温多晶硅(LTPS)(11.8-17.8％)。我们还利用得到的大面积、均一的C8-BTBT单晶膜成功构筑了多种逻辑门电路，包括反相器、NOR和NAND。本工作为大面积有机单晶膜的可控生长提供了一种新的思路，同时也为有机单晶电子学的发展开辟了机会。 二、C8-BTBT单晶薄膜中分子堆积结构的调控方法及其在高性能有机场效应晶体管中的应用 本工作通过在有机小分子半导体C8-BTBT溶液中添加非离子表面活性剂TritonX-100，实现了C8-BTBT单晶薄膜的快速制备以及分子堆积结构的调控。由于TritonX-100分子与C8-BTBT分子之间存在强的相互作用，增强了刮涂过程中溶质的传输速度，进而加快了晶体的生长速度，以实现高质量C8-BTBT单晶薄膜的快速沉积。通过紫外-可见偏振吸收、差示量热扫描以及分子动力学模拟证明了TritonX-100与C8-BTBT分子之间强相互作用的存在。而在X射线衍射表征中还发现了C8-BTBT的晶格畸变，沿着(010)晶面方向的π-π堆积更加紧密，这有利于载流子的传输。偏光显微镜和透射电子显微镜等表征证明了C8-BTBT晶态薄膜的单晶属性。通过薄膜形貌与器件性能的对照实验，我们进一步优化了刮涂速度与TritonX-100浓度，其最优刮涂速度为1.2mms-1，TritonX-100浓度为1.25mgmL-1。基于此单晶薄膜构筑的OFETs表现出非常优异的器件性能，最大空穴迁移率在10cm2V-1s-1以上，比未添加TritonX-100分子的器件性能提高了3倍。此外，还成功制备了NAND逻辑门电路，表现出理想的电压传递特性。该工作为调控有机单晶薄膜中分子堆积结构，提高器件性能提供了新的思路。
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