Title

成長於多層二十酸鎂之結晶性紅螢烯薄膜其有機場效電晶體之製作與特性

Translated Titles

Organic Field Effect Transistors of Crystalline Rubrene Thin Films on Magnesium Arachidate Multilayer: Fabrication and Characterization

DOI

10.6843/NTHU.2013.00402

Authors

戴淑玟

Key Words

紅螢烯 ; 有機場效電晶體 ; LB ; MgA

PublicationName

清華大學化學系所學位論文

Volume or Term/Year and Month of Publication

2013年

Academic Degree Category

碩士

Advisor

楊耀文

Content Language

繁體中文

Chinese Abstract

本論文藉由Langmuir-Blodgett (LB)技術成長無毒性的magnesium arachidate (MgA)薄膜來修飾4-Phenylbutyltrichlorosilane(4-PBTS)/SiO2/n+-Si2的基材表面,藉著改變MgA薄膜層數(兩層、四層、六層及八層)和基板於LB槽的移動速率(1 mm/min、4 mm/min及6 mm/min)來調控表面性質,以探討對成長於其上之rubrene薄膜結晶性及rubrene薄膜電晶體電性之影響。薄膜之物性將藉著原子力顯微鏡(AFM)、X光光電子能譜(XPS)、X光反射率(XRR)、X光繞射(XRD)與近緣X光吸收細微結構光譜術(NEXAFS)等技術對MgA和rubrene薄膜的表面形貌、分子排列及晶相結構進行綜合探討。 透過原子力顯微影像瞭解到rubrene成長於兩層MgA薄膜的表面形貌為柱狀結構,而成長於四層以上的表面形貌則主要為片狀結構,造成此差異性的因素,推測與MgA薄膜的覆蓋程度有相關性,並且藉由XRD的量測可知,片狀結構為主的rubrene薄膜皆具有結晶相。經由接觸角的量測可得所有基材之表面能量皆在21-23 mN m-1之間,其差異性不大。因此表面能量並非促使rubrene結晶性成長之因素,推測是MgA薄膜所形成的雙層膜層狀堆疊之台階狀結構側邊官能基(-COO−),與rubrene的苯基產生π-π作用力,使rubrene沿著MgA薄膜的台階側邊垂直基材表面成長,形成片狀且具晶相的結構。其中rubrene成長於八層且基板移動速率為1 mm/min的MgA薄膜上,由於此MgA薄膜堆疊成較緻密之台階結構,且分子較為直立,與基材表面夾角為72°,使得與rubrene作用力較強,因此由XRD可發現其結晶性最佳,製作為元件後可得到最好的載子遷移率,其值可達0.107 cm2V-1s-1。本實驗利用無毒性之鎂離子作為反離子(counterion)形成MgA薄膜,可增進rubrene薄膜的結晶性成長,以提高製作為元件後的電性效能。

Topic Category 基礎與應用科學 > 化學
理學院 > 化學系所
Reference
  1. (1) Julius, E. L. Method and apparatus for controlling electric currents. US1745175, 1930.
    連結:
  2. (8) Sirringhaus, H. Adv. Mater. 2005, 17, 2411.
    連結:
  3. (9) Rogers, J. A.; Bao, Z.; Raju, V. R. Appl. Phys. Lett. 1998, 72, 2716.
    連結:
  4. (12) Brütting, W. Physics Of Organic Semiconductors; Wiley-VCH Verlag GmbH: Berlin, 2005.
    連結:
  5. (13) 陳金鑫 OLED 有機電激發光材料與元件; 五南圖書出版股份有限公司: 台北市, 2005.
    連結:
  6. (14) Kelley, T. W.; Baude, P. F.; Gerlach, C.; Ender, D. E.; Muyres, D.; Haase, M. A.; Vogel, D. E.; Theiss, S. D. Chemistry of Materials 2004, 16, 4413.
    連結:
  7. (16) Sundar, V. C.; Zaumseil, J.; Podzorov, V.; Menard, E.; Willett, R. L.; Someya, T.; Gershenson, M. E.; Rogers, J. A. Science 2004, 303, 1644.
    連結:
  8. (17) Takeya, J.; Yamagishi, M.; Tominari, Y.; Hirahara, R.; Nakazawa, Y.; Nishikawa, T.; Kawase, T.; Shimoda, T.; Ogawa, S. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 102120.
    連結:
  9. (19) Briseno, A. L.; Mannsfeld, S. C. B.; Ling, M. M.; Liu, S.; Tseng, R. J.; Reese, C.; Roberts, M. E.; Yang, Y.; Wudl, F.; Bao, Z. Nature 2006, 444, 913.
    連結:
  10. (31) Seo, S.; Park, B.-N.; Evans, P. G. Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 232114.
    連結:
  11. (38) Maliakal, A. J.; Chen, J. Y. C.; So, W.-Y.; Jockusch, S.; Kim, B.; Ottaviani, M. F.; Modelli, A.; Turro, N. J.; Nuckolls, C.; Ramirez, A. P. Chemistry of Materials 2009, 21, 5519.
    連結:
  12. (41) Takahashi, T.; Takenobu, T.; Takeya, J.; Iwasa, Y. Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 033505.
    連結:
  13. (43) Park, B.; In, I.; Gopalan, P.; Evans, P. G.; King, S.; Lyman, P. F. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 133302.
    連結:
  14. (48) Wang, C.-H.; Islam, A. K. M. M.; Yang, Y.-W.; Wu, T.-Y.; Lue, J.-W.; Hsu, C.-H.; Sinha, S.; Mukherjee, M. Langmuir 2013, 29, 3957.
    連結:
  15. (49) Neuman, R. D. J. Colloid Interface Sci. 1975, 53, 161.
    連結:
  16. (50) Neuman, R. D.; Swanson, J. W. J. Colloid Interface Sci. 1980, 74, 244.
    連結:
  17. (52) Petty, M. C. Thin Solid Films 1992, 210–211, Part 2, 417.
    連結:
  18. (58) Birkholz, M. Thin Film Analysis by X-Ray Scattering; Wiley-VCH, 2006.
    連結:
  19. (59) Skoog, D. A.; Holler, F. J.; Crouch, S. R. Principles of Instrumental Analysis; Thomson Learning, 2006.
    連結:
  20. (62) Tippmann-Krayer, P.; Moehwald, H.; L'Vov, Y. M. Langmuir 1991, 7, 2298.
    連結:
  21. (64) Urquhart, S. G.; Ade, H. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 8531.
    連結:
  22. (2) Koezuka, H.; Tsumura, A.; Ando, T. Synth. Met. 1987, 18, 699.
  23. (3) Farchioni, R.; Grosso, G. Organic Electronic Materials; Springer: Berlin, 2001.
  24. (4) Gill, W. D. J. Appl. Phys. 1972, 43, 5033.
  25. (5) Zaumseil, J.; Sirringhaus, H. Chemical Reviews 2007, 107, 1296.
  26. (6) Veres, J.; Ogier, S.; Lloyd, G.; de Leeuw, D. Chemistry of Materials 2004, 16, 4543.
  27. (7) Dimitrakopoulos, C. D.; Malenfant, P. R. L. Advanced Materials 2002, 14, 99.
  28. (10) Sirringhaus, H.; Kawase, T.; Friend, R. H.; Shimoda, T.; Inbasekaran, M.; Wu, W.; Woo, E. P. Science 2000, 290, 2123.
  29. (11) Bao, Z.; A. Rogers, J.; E. Katz, H. J. Mater. Chem. 1999, 9, 1895.
  30. (15) Sony http://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/201005/10-070E/
  31. (18) Zeis, R.; Besnard, C.; Siegrist, T.; Schlockermann, C.; Chi, X.; Kloc, C. Chemistry of Materials 2005, 18, 244.
  32. (20) Podzorov, V.; Menard, E.; Borissov, A.; Kiryukhin, V.; Rogers, J. A.; Gershenson, M. E. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 086602.
  33. (21) Podzorov, V.; Sysoev, S. E.; Loginova, E.; Pudalov, V. M.; Gershenson, M. E. Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 3504.
  34. (22) Sakamoto, G.; Adachi, C.; Koyama, T.; Taniguchi, Y.; Merritt, C. D.; Murata, H.; Kafafi, Z. H. Appl. Phys. Lett. 1999, 75, 766.
  35. (23) da Silva Filho, D. A.; Kim, E. G.; Brédas, J. L. Advanced Materials 2005, 17, 1072.
  36. (24) Kowarik, S.; Gerlach, A.; Sellner, S.; Schreiber, F.; Cavalcanti, L.; Konovalov, O. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 125504.
  37. (25) Wang, L.; Chen, S.; Liu, L.; Qi, D.; Gao, X.; Subbiah, J.; Swaminathan, S.; Wee, A. T. J. Appl. Phys. 2007, 102, 063504.
  38. (26) Käfer, D.; Ruppel, L.; Witte, G.; Wöll, C. Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 166602.
  39. (27) Kafer, D.; Witte, G. PCCP 2005, 7, 2850.
  40. (28) Ribič, P. R.; Bratina, G. The Journal of Physical Chemistry C 2007, 111, 18558.
  41. (29) Miwa, J. A.; Cicoira, F.; Bedwani, S. p.; Lipton-Duffin, J.; Perepichka, D. F.; Rochefort, A.; Rosei, F. The Journal of Physical Chemistry C 2008, 112, 10214.
  42. (30) Park, S.-W.; Hwang, J. M.; Choi, J.-M.; Hwang, D. K.; Oh, M. S.; Kim, J. H.; Im, S. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 153512.
  43. (32) Choi, J.-M.; Jeong, S. H.; Hwang, D. K.; Im, S.; Lee, B. H.; Sung, M. M. Org. Electron. 2009, 10, 199.
  44. (33) Hochstrasser, R. M.; Ritchie, M. Transactions of the Faraday Society 1956, 52, 1363.
  45. (34) Mathews, N.; Fichou, D.; Menard, E.; Podzorov, V.; Mhaisalkar, S. G. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 212108.
  46. (35) Mitrofanov, O.; Lang, D. V.; Kloc, C.; Wikberg, J. M.; Siegrist, T.; So, W.-Y.; Sergent, M. A.; Ramirez, A. P. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 166601.
  47. (36) Krellner, C.; Haas, S.; Goldmann, C.; Pernstich, K. P.; Gundlach, D. J.; Batlogg, B. Physical Review B 2007, 75, 245115.
  48. (37) Nakayama, Y.; Machida, S.; Minari, T.; Tsukagishi, K.; Noguchi, Y.; Ishii, H. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 173305.
  49. (39) Mitrofanov, O.; Kloc, C.; Siegrist, T.; Lang, D. V.; So, W.-Y.; Ramirez, A. P. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 212106.
  50. (40) Podzorov, V.; Pudalov, V. M.; Gershenson, M. E. Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 6039.
  51. (42) Hsu, C. H.; Deng, J.; Staddon, C. R.; Beton, P. H. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 193505.
  52. (44) Hu, W.-S.; Weng, S.-Z.; Tao, Y.-T.; Liu, H.-J.; Lee, H.-Y. Org. Electron. 2008, 9, 385.
  53. (45) Li, Z.; Du, J.; Tang, Q.; Wang, F.; Xu, J.-B.; Yu, J. C.; Miao, Q. Advanced Materials 2010, 22, 3242.
  54. (46) Liu, D.; Li, Z.; He, Z.; Xu, J.; Miao, Q. J. Mater. Chem. 2012, 22, 4396.
  55. (47) Nayak, P. K.; Kim, J.; Cho, J.; Lee, C.; Hong, Y. Langmuir 2009, 25, 6565.
  56. (51) Newman, C. R.; Frisbie, C. D.; da Silva Filho, D. A.; Brédas, J.-L.; Ewbank, P. C.; Mann, K. R. Chemistry of Materials 2004, 16, 4436.
  57. (53) KSV NIMA http://www.ksvnima.com/langmuir-blodgett-film
  58. (54) 冼鼎昌 神奇的光–同步輻射; 牛頓出版股份有限公司, 1999.
  59. (55) 國家同步輻射研究中心 http://www.nsrrc.org.tw/ http://www.nsrrc.org.tw/
  60. (56) Stöhr, J. NEXAFS Spectroscopy; Springer-Verlag: Berlin, 1992.
  61. (57) Vickerman, J. C. Surface Analysis - The Principal Techniques; John Wiley & Sons: New York, 1997.
  62. (60) 汪建民 材料分析; 中國材料科學學會: 新竹, 1998.
  63. (61) Rozlosnik, N.; Antal, G.; Pusztai, T.; Faigel, G. Supramolecular Science 1997, 4, 215.
  64. (63) Schertel, A.; Hahner, G.; Grunze, M.; Woll, C.; AVS: 1996; Vol. 14, p 1801.
  65. (65) Schöll, A.; Fink, R.; Umbach, E.; Mitchell, G. E.; Urquhart, S. G.; Ade, H. Chemical Physics Letters 2003, 370, 834.
  66. (66) Outka, D. A.; Stohr, J.; Rabe, J. P.; Swalen, J. D. J. Chem. Phys. 1988, 88, 4076.
  67. (67) Zeng, X.; Zhang, D.; Duan, L.; Wang, L.; Dong, G.; Qiu, Y. Appl. Surf. Sci. 2007, 253, 6047.
  68. (68) Song, X.; Wang, L.; Fan, Q.; Wu, Y.; Wang, H.; Liu, C.; Liu, N.; Zhu, J.; Qi, D.; Gao, X.; Wee, A. T. S. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 032106.
  69. (69) Rapp, G.; Koch, M. H. J.; Hoehne, U.; Lvov, Y.; Moehwald, H. Langmuir 1995, 11, 2348.