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超颖材料的场效应晶体管的性能

作　者: 杨小艳
导　师: 印寿根
学　校: 天津理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 超颖材料 3-己基聚噻吩 半导体型单壁碳纳米管 单层硫化钼 场效应晶体管
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


超颖材料（Metamaterials）是指在自然界中不存在的、通过人工人为设计和控制的、具有一些特殊性质的材料，是一种真正意义上的人工材料，其性质和功能主要取决于这些材料的内部结构而非构成它们的材料。随着材料技术的发展，材料的观念已经由以往所指的原材料转变为现在的在一定尺度上进行了加工和设计的材料。3-己基聚噻吩（P3HT）是一种优良的半导体材料，我们可以通过交联剂的加入人为地对之进行改性处理，提高其性能。对半导体材料如管状单壁碳纳米管和层状硫化钼分别进行分离和剥离，改变其固有的结构得到我们实验所需的超颖材料。本文就这三种材料进行了研究并将之应用在场效应晶体管中，研究这三种材料的场效应性能：（1）P3HT是一种聚噻吩类聚合物，化学稳定性好并且载流子的迁移率高，还可以用溶液法等方法进行处理。我们的出发点是对P3HT这种传统材料进行改性得到我们实验所需的超颖材料，在P3HT溶液中加入一定浓度的自由基引发剂偶氮二异丁腈（AIBN），改变了P3HT单分子结构，提高了P3HT的分子量，改变了有源活性层材料薄膜形貌，加入交联剂之后会使P3HT薄膜表面更加平滑，降低了薄膜表面粗糙度，这样有利于载流子的传输，器件的性能得到了很好的提高。开关比（Ion/off）由1.5×101提高到了1.56×102，迁移率由0.002 cm2/Vs提高到了0.04 cm2/Vs。（2）单壁碳纳米管（SWNT）是一种新型的半导体型材料，但单壁碳纳米管由半导体型单壁碳纳米管（s-SWNT）和金属型单壁碳纳米管（m-SWNT）的混合组成，我们用硝酸/硫酸混合酸法选择性地去除了金属型单壁碳纳米管而得到超颖材料半导体型单壁碳纳米管，并将之掺杂在传统有机半导体材料P3HT中。共制备了三种场效应器件，其活性层分别为P3HT、P3HT/SWNT、P3HT/s-SWNT，在器件P3HT/SWNT中，由于SWNT为s-SWNT和m-SWNT的混合体，而m-SWNT为金属型单壁碳纳米管，所以没有场效应特性。P3HT/s-SWNT器件与P3HT器件相比，由于s-SWNT为管状结构，在P3HT薄膜中起到了桥梁的作用，为载流子的传输提供了通道，提高了载流子的迁移率，器件的性能有很好的提高，阈值电压（Vt）由-28V提高到了-22V,开关比（Ion/off）由1.38×102提高到了5.52×102，迁移率由3×10-3cm2/Vs提高到了5×10-3cm2/Vs。（3）无机富勒烯材料，例如硫化钼，也是最近几年研究较热的层状结构化合物，层内靠很强的共价键相结合，层与层之间靠相互作用力较弱的范德瓦尔斯力结合。多层结构的硫化钼具有间接带隙，而超颖材料单层结构的硫化钼为禁带宽度较窄的直接带隙半导体材料，载流子的迁移率很高。单层硫化钼的获得需要经过两个过程，分别为插层和剥离。得到的产物进行XRD，TEM和SEM表征。我们将单层硫化钼的悬浮液应用到场效应器件中，器件表现出很好的场效应特性，迁移率为4.65 cm2/Vs，开关比（Ion/off）为3.2×103。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-19
  1.1 引言  10
  1.2 场效应晶体管的发展现状  10-11
  1.3 场效应晶体管的结构、原理、基本参数和特性参数  11-17
    1.3.1 场效应晶体管的基本结构  11-13
    1.3.2 场效应晶体管的工作原理  13-14
    1.3.3 场效应晶体管的基本参数  14-15
    1.3.4 场效应晶体管的特征曲线  15-17
  1.4 场效应晶体管研究现状  17
  1.5 本论文的主要工作内容  17-19
第二章 自由基引发剂（AIBN）对 P3HT 场效应晶体管性能的影响  19-29
  2.1 引言  19-21
    2.1.1 P3HT 的简介  19
    2.1.2 自由基引发剂（AIBN）的简介  19-20
    2.1.3 AIBN 对 P3HT 的交联作用形成超颖半导体材料  20-21
  2.2 实验部分  21-23
    2.2.1 实验原料与药品  21
    2.2.2 分析仪器及测试设备  21-23
    2.2.3 场效应晶体管的制备  23
  2.3 结果分析  23-28
    2.3.1 P3HT 中未加入和加入 AIBN 的原子力显微镜分析  23-25
    2.3.2 P3HT 中未加入和加入 AIBN 的场效应晶体管的器件性能研究  25-28
  2.4 本章小节  28-29
第三章 单壁碳纳米管的分离以及在场效应晶体管中的应用  29-35
  3.1 单壁碳纳米管的简介  29-30
  3.2 实验部分  30-32
    3.2.1 原料与药品  30
    3.2.2 单壁碳纳米管的分离  30-31
    3.2.3 基于半导体型单壁碳纳米管场效应晶体管的制备  31-32
  3.3 结果分析  32-34
    3.3.1 半导体型单壁碳纳米管的拉曼光谱图分析  32
    3.3.2 基于半导体型单壁碳纳米管场效应晶体管的器件性能研究  32-34
  3.4 本章小结  34-35
第四章 硫化钼的剥离以及在场效应器件中的应用  35-45
  4.1 引言  35-36
  4.2 实验部分  36-40
    4.2.1 原料药品及仪器  36
    4.2.2 单层硫化钼的剥离  36-39
    4.2.3 单层硫化钼作为有源层在场效应器件中的制备  39-40
  4.3 结果分析  40-44
    4.3.1 单层硫化钼 SEM 图像分析  40-41
    4.3.2 单层硫化钼 XRD 图像分析  41-42
    4.3.3 单层硫化钼 TEM 图像分析  42-43
    4.3.4 基于单层硫化钼场效应晶体管的器件性能研究  43-44
  4.4 本章小结  44-45
第五章 全文总结与展望  45-47
  5.1 全文总结  45-46
  5.2 展望  46-47
参考文献  47-52
发表论文和科研情况说明  52-53
致谢  53-54

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 场效应器件
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