本研究目的為開發可溶式、高空氣穩定度、高載子移動率的有機薄膜電晶體，使其能應用於製程溫度在200°C以下的印刷(printing)製程及不耐高溫之軟性基板上。主要是利用可溶式n-型(n-type)有機半導體苝苯亞醯胺衍生物(perylene diimide derivatives)，N,N′-bis(3-fluoro-5-trifluoromethyl-benzyl)tetrachloroperylene-3,4,9,10-bis-(dicarboximide) (簡稱為TC-PDI-F)為半導體材料，以旋轉塗佈法，將TC-PDI-F塗佈於以熱氧化二氧化矽(thermal-SiO2)為閘極介電層之基板上，製作有機薄膜電晶體(organic thin film transistor, OTFT)。並藉由半導體層的摻雜與閘極介電層上的表面處理，提升有機電晶體元件效能。另方面，本研究也將TC-PDI-F整合在可溶式介電層(液相沉積二氧化矽, liquid-phase-deposited SiO2, 簡稱LPD-SiO2)上，以可溶式製程製作有機薄膜電晶體。期待未來可整合軟性基板，製作全可溶式、可撓式薄膜電晶體，以應用在軟性電子產品上。
結果顯示，本研究所使用的半導體材料(TC-PDI-F)，可以低溫、溶液方式，利用旋轉塗佈法塗佈在含熱氧化二氧化矽(thermal-SiO2) 之矽基座上，製作有機電晶體，但TC-PDI-F在未經任何表面處理的thermal-SiO2上的成膜性不好，且製作成底接觸有機薄膜電晶體(bottom contact OTFT)後未有電晶體特性。
為提升TC-PDI-F在thermal-SiO2上之成膜性及電晶體效能，本研究中具體的做法及研究重點為：(1)在閘極介電層thermal-SiO2上施以表面處理，改變thermal-SiO2表面性質，預期能改善有機半導體層在thermal-SiO2上的附著性、減少閘極介電層/半導體層介面缺陷(trap states)、增加TC-PDI-F在thermal-SiO2上之晶體排列性，並提升TC-PDI-F 有機薄膜電晶體效能(例如以三甲基矽甲基鋰分子修飾thermal-SiO2並製作成有機薄膜電晶體之元件效能為：載子遷移率μ= 4.44×10-5 cm2V-1s-1、開關電流比Ion/Ioff = 10，起始電壓Vth = 32 V)；(2) 以TC-PDI-F為主要半導體材料，利用摻雜的方式，期望能提高有機半導體層之載子濃度、改變電子結構(增加電子能階中的施子能階，即donor levels)、幫助TC-PDI-F有序地排列，以提升TC-PDI-F 有機薄膜電晶體效能及穩定度(例如加入LiF之摻雜物後，可使有機薄膜電晶體效能達到μ= 2.71×10-5 cm2V-1s-1、Ion/Ioff = 12， Vth = 25 V)。
此外，本研究也將有機半導體材料TC-PDI-F，試製在液相沉積二氧化矽(LPD-SiO2) 之可溶式閘極介電層上，製作成有機薄膜電晶體。結果顯示以LPD-SiO2做為閘極介電層，能進一步有效提升TC-PDI-F 有機薄膜電晶體元件效能達μ= 0.26 cm2V-1s-1、Ion/Ioff = 19 、Vth = 11 V，此結果揭示以可溶式製程，在大氣環境下以TC-PDI-F作為半導體層，LPD-SiO2作為閘極介電層，製作有機薄膜電晶體之可行性，將有助於未來可溶式、可撓曲有機薄膜電晶體之開發及應用於軟性電子產品上。

第一章 緒論 20
1-1 前言 20
1-2 有機薄膜電晶體(OTFT) 22
1-3 OTFT元件結構與工作原理 25
1-4 OTFT元件效能參數及其擷取 27
1-4-1 載子遷移率(mobility, μ) 27
1-4-2 起始電壓(threshold voltage, Vth) 28
1-4-3 開關電流比(on/off current ratio, Ion/Ioff) 29
29
1-5 有機半導體傳導機制 29
1-6 n-型(n-type)有機半導體材料 30
1-7 半導體層之摻雜 32
1-8 閘極介電層材料及其與有機半導體層介面 32
第二章 文獻回顧 33
2-1 有機薄膜電晶體 34
2-2 n-型(n-type)有機半導體 36
2-3 苝苯亞醯胺衍生物(Parylene diimide derivative) n-型有機半導體材料…………………………………………………………………...37
2-4 苝苯亞醯胺衍生物n-型有機半導體材料(TC-PDI-F)之簡介 39
2-5 閘極介電層材料及其與有機半導體之介面 41
第三章 實驗流程與方法 44
3-1 有機半導體材料TC-PDI-F之合成、純化與鑑定 45
3-2 基板與閘極介電層之清洗與製備 47
3-3 閘極介電層上之表面處理及其特性分析 48
3-4 有機半導體材料TC-PDI-F薄膜製備及特性分析 50
3-5 製作TC-PDI-F有機電晶體及電性、穩定度分析 51
3-6 分析儀器 53
3-6-1 核磁共振儀（Nuclear Magnetic Resonance, NMR） 53
3-6-2 質譜儀（Mass Spectrometer, MS） 54
3-6-3 原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM） 55
3-6-4 X光繞射分析儀 （X-Ray Diffractometer, XRD） 56
3-6-5 化學分析電子儀 (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA) 57
3-6-6 傅立葉變換紅外光譜儀 (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR ) 58
3-6-7 接觸角量測儀 (Contact Angle Meter) 59
3-6-8 電性量測儀 （Semiconductor Parameter Analyzer） 62
第四章 實驗結果與討論 63
4-1 有機半導體材料TC-PDI-F之合成與鑑定 63
4-2 閘極介電層之表面處理對TC-PDI-F OTFT電性之影響 64
4-2-1 以含有碳鏈烷基(alkyl-group)分子進行表面處理 67
4-2-2 以含有苯基(phenyl-groups)分子進行表面處理 70
4-2-3 以含有鋰原子的分子進行表面處理 78
4-2-4 以含有氟基(floro-group)之分子進行表面處理 80
4-2-5 以含有氯基(chloro-group)之分子進行表面處理 84
4-2-6 以有羥基(hydroxyl-group)之分子進行表面處理 85
4-2-7 以含有羧基 (carboxyl-group)之分子之介面處理 87
4-2-8 以含有胺基 (amino-group)之分子進行表面處理 87
4-2-9 以有機高分子PVP 及PMMA進行表面處理 89
4-3 摻雜物對TC-PDI-F有機電晶體電性之影響 90
4-3-1 以CdSe/ZnS核殼型量子點做為半導體層之摻雜物 92
4-3-2 以LiF做為半導體層之摻雜物 95
4-3-3 以奈米碳球做為半導體層之摻雜物 98
4-3-4 以二環戊二烯亞鐵做為半導體層之摻雜物 99
4-3-5 以四氯苯做為半導體層之摻雜物 100
4-3-6 以NTCDA做為半導體層之摻雜物 101
4-3-7 以NTCDI-F做為半導體層之摻雜物 102
4-4 以可溶式SiO2做為閘極介電層TC-PDI-F OTFT 103
第五章 結論 107
第六章 未來展望 109
第七章 參考文獻 110

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