本論文主要在探討有機半導體層的性質與介面，對於場效電晶體效能的關係。實驗上可分為三部份，第一部份使用原子力顯微鏡（AFM）來研究4-phenylbutyltrichlorosilane（4-PBTS）在矽（100）表面成長自組裝單層膜之最適反應時間，再以架構於同步輻射光源的近緣X光吸收細微結構光譜分析4-PBTS薄膜中分子相對基材的排列位向。結果顯示4-PBTS在60分鐘的反應時間能成長出平坦的薄膜，其分子鍊排列與基材傾角約為57°。
第二部分的研究則探討基材差異與溶劑蒸氣誘導再結晶處理方式，是如何影響可溶性有機半導體材料triethylsilylethynyl anthradithiophene（TESADT）薄膜的表面形貌、分子位向與電洞注射能障。此處我們發現矽晶片經4-PBTS修飾降低了表面能量，使得其上的TESADT薄膜以溶劑蒸氣再結晶處理後，能夠分散的更為均勻，形成較大較連續的晶粒。同時溶劑蒸氣再結晶處理也能提升半導體薄膜中分子排列的規則性，並反映在降低的電洞注射能障，但這些處理並不會顯著改變分子在基材上的傾角。
最後一部分，我們以上述的研究結果做為基礎來實際製作有機場效電晶體，經由量測元件的電壓–電流關係可得出TESADT的載子遷移率。明顯地，經4-PBTS修飾的矽晶片有著更好的絕緣層特性，改善了開關率與臨界電壓。而使用溶劑蒸氣再結晶處理半導體薄膜後，載子遷移率也提升了3倍左右，平均0.1 cm2V-1s-1的數量級，最高至1.23 cm2V-1s-1。代表著半導體–絕緣層介面的好壞與半導體薄膜本身的品質都會強烈影響最終元件的效能。

摘要 i
致謝 ii
目錄 iii
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 有機半導體與有機場效電晶體（Organic Field Effect Transistors）簡介 1
1.2 有機半導體薄膜與介面 3
1.3 研究動機與目的 5
第二章 實驗技術背景與數據分析 7
2.1 同步輻射光源 7
2.2 紫外光光電子能譜（Ultraviolet Photoemission Spectroscopy，UPS）原理 8
2.3 近緣Ｘ光吸收細微結構光譜（Near-Edge X-Ray Absorption Fine Structure，NEXAFS） 12
2.3.1 NEXAFS光譜原理 12
2.3.2 NEXAFS量測原理 18
2.4 原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）原理 22
2.5 有機場效電晶體 23
2.5.1 場效電晶體簡介 23
2.5.2 有機場效電晶體工作原理 25
2.5.3 場效電晶體電流與電壓關係 28
第三章 實驗藥品、儀器設備與步驟 32
3.1 實驗藥品 32
3.2 實驗儀器 35
3.3 Piranha cleaning of Si (100) wafer 36
3.4 矽晶片表面自組裝薄膜成長 36
3.5 可溶性有機分子之旋轉塗佈（spin coating） 37
3.6 溶劑蒸氣誘導再結晶 37
3.7 AFM實驗方式 38
3.8 超高真空實驗系統與樣品傳送 38
3.8.1 超高真空實驗系統 38
3.8.2 超高真空的達成 40
3.8.3 真空樣品傳送 40
3.9 NEXAFS實驗方式 41
3.9.1 NEXAFS流程 41
3.9.2 NEXAFS數據處理 41
3.10 UPS實驗方式與數據分析 42
3.11 有機場效電晶體製作與量測 43
3.11.1 有機樣品與金屬蒸鍍系統與製作流程 44
3.11.2 量測系統與流程 46
第四章 實驗結果與討論 48
4.1 原子力顯微結果 48
4.1.1 矽晶片表面處理結果 48
4.1.2 4-PBTS自組裝薄膜結果與最佳製備條件 49
4.1.3 TESADT旋轉塗佈薄膜厚度的量測 51
4.1.4 TESADT旋轉塗佈在不同基材上之AFM影像 52
4.1.5 溶劑蒸氣再結晶條件的選擇 54
4.1.6 TESADT旋轉塗佈在不同基材上，經溶劑蒸氣再結晶之AFM影像 59
4.1.7 AFM影像觀察與分析結果整理 61
4.2 XRD結果 61
4.3 NEXAFS結果 64
4.3.1 4-PBTS自組裝薄膜分子位向 64
4.3.2 TESADT薄膜分子位向 67
4.3.3 TESADT薄膜經溶劑再結晶後的分子位向 70
4.3.4 NEXAFS結果分析整理 73
4.4 UPS光譜 74
4.5 有機場效電晶體量測結果 78
4.6 未來 – 微區影像與空間解析光譜技術的發展 86
第五章 結論 90
第六章 參考資料 93

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