浅谈用于OLET的材料

【中心议题】

• *归纳了几类用于OLET的材料
• *OLET材料的问题及发展趋势

【解决方案】

• *开发双极型新材料
• *进一步优化器件结构
• *在载流子注入和发光效率之间找到平衡点

将有机薄膜晶体管(OTFT)与有机发光二极管(OLED)集合在一起,利用OTFT来驱动OLED的器件称为有机发光晶体管(OLET)。有机发光晶体管所用的材料包括有机半导体材料、绝缘材料、源漏栅极电极材料和衬底材料等。

1　有机半导体材料

OLET所用的有机半导体材料既要满足OTFT的要求又要满足OLED的要求,即高载流子迁移率、低本征电导率、高载流子密度、高发光效率和两种载流子的平衡注入。对双极型材料有机发光管,需要两种载流子的高注入和平衡传输;对半导体异质结有机发光管,需要金属电极匹配的载流子平衡注入。目前,作为OLET核心的有机半导体材料主要有机小分子化合物和高分子聚合物两大类。

在有机发光晶体管中应用较早的材料是Pentacene和α-6T。2000年Sch n等人用由Pentacene和α-6T材料制成既可工作于积累型又可工作于耗尽型的OTFT器件,用Pentacene制成了双极有机场效应晶体管和反相器;同年,他们又在α-6T单晶材料上,首次制成了双极场效应发光管。虽然以上论文最后都因为实验者恶意操作数据而被撤回,但是却给出了实验的新思路,其影响不可忽视。

利用p型材料制作的传统水平结构的发光晶体管出现较早。Ahles等人和Sakanoue等人分别采用旋涂法制作了基于poly ( 9, 9-diethylhexylfluorene)(PF2/6)和poly[2-methoxy-5-( 2′-ethylhexyloxy )-1, 4-phenylenevinylene ](MEH-PPV)的传统水平结构的OLET,其中PF2/6的器件迁移率达到4. 4×10-4cm2/Vs;日本Oyamada等人采用热蒸发2, 4-bis (4-(2′-thiophenyl) phenyl) thiophene (TPTPT)制作了OLET,并研究了沟道长度对器件性能的影响,其外量子效率达到7.1×10-4%。Cicoira等人用新材料2,6-bis-(5′-hexyl-[2,2′]bithiophen-5-yl)-3,5-dimethyl-dithieno [ 3, 2-b; 2′, 3′-d ] thiophene(DTT7Me)通过真空沉积制作的发光晶体管器件的场效应迁移率接近2×10?2cm2/Vs,开关电流比接近106。最近,Santato等人在传统水平结构并四苯的场效应发光管方面取得了较大进展,得到的器件空穴迁移率为1×10-2cm2/Vs,开关电流比为106。Hepp等人[8]用并四苯制作的场效应发光管空穴迁移率达到5×10?2cm2/Vs,源漏电压为60 V,栅压为-80 V时,发光亮度为25 cd/m2,流明效率为2.5×10-4cd/A。Saito等人在硅衬底上以超薄单晶硅为工作层,制作了传统水平结构场效应发光管,在5 V栅压下即可工作,使OLET可与硅技术接轨。

双层半导体异质结有机场效应发光管发展也较快。Rost等人用Pentacene作为空穴传输材料,N, N′-ditridecylperylene-3, 4, 9, 10-tetracarboxylicdiimide (PTCDI-C13H27, P13)作为电子传输材料,用Au作为阳极、Mg作为阴极,制作了双层异质结的场效应发光管,电子迁移率和空穴迁移率分别达到3×10-3cm2/Vs和1×10-4cm2/V,发光可以通过源漏电压和栅源电压控制。

Dodabalapur等人采用C60作为空穴传输材料,α-6T作为电子传输材料,制作的双层异质结场效应发光管的电子迁移率接近5×10-3cm2/Vs。垂直构型的静电感应发光管主要也是采用双层异质结结构,主要用Alq3作为电子传输层和发光层,ZnO或者α-NPD作为空穴传输材料。Capelli等人用p型α,β-dihexyl-quaterthiophene (DH4T)和n型P13制备了双层异质结OLET器件,其空穴和电子的迁移率都达到了10-2cm2/Vs。采用新型MIS结构的OLET器件在VD= -10 V和VG=-10 V时,漏极电流密度为13.8 mA/cm2,亮度为290 cd/m2。朱道本等人用Pentacene和Alq3制作的双层异质结OLET器件,开关比为103,空穴迁移率达到2.1×了10-3cm2/Vs。

2005年报道了传统结构的体异质结场效应发光管。Oyamada等人用掺杂Rubrene的TPPy制作了传统结构发光管,其外量子效率达到了0.8%。在漏源电压-100 V和栅压-100 V下工作时,亮度达到150 cd/m2。Loi等人用P13作为电子传输材料,α-quinquethiophene(α-5T)作为空穴传输材料,制作了传统结构双极型场效应发光管,器件空穴迁移率为10-4cm2/Vs,电子迁移率为10-3cm2/Vs。Rost等人也利用α-5T和P13,采用热蒸发法制作了双极型OLET,并研究了两种材料的掺杂比例与器件性能的关系。该器件的空穴和电子迁移率随掺杂比例的不同而改变,数量级分别为10-3cm2/Vs和10-4cm2/Vs,并得到α-5T与P13的最佳混合比为3∶2。

Zaumseil等人采用双极型材料OC1C10-PPV制作了传统结构场效应发光管,空穴和电子迁移率分别达到6×10-4cm2/Vs和3×10-3cm2/Vs,并发现随着栅压的改变,沟道中发光位置发生移动。

Toko等人用双极材料6-TTP-12制作了垂直构型的场效应发光管,70 V电压时,亮度达到70 cd/m2。

Freitag等人采用碳纳米管制作了OLET,通过调节栅压和漏源电压可以改变发光位置和波长。此外,还有一些有机材料可能用于OLET中。

如DCMT是一种n型半导体材料,电子迁移率能够达到0.2 cm2/Vs,并在一定温度下具有双极特性。

2　绝缘材料、电极材料及衬底材料

OLET中常用的无机绝缘材料主要有SiO2、LiF和Al2O3等。其优点是耐高温、化学性质稳定、不易被击穿等,缺点是固相高温和非柔性加工特点限制了它在晶体管微型化、大面积柔性显示、大规模集成电路和低成本溶液加工生产中的应用。OLET中的有机绝缘体材料有MyLayerTM (一种塑料)、丙烯酸和Poly(methyl-methacrylate)(PMMA)等。其优点是与柔性衬底有良好的相容性,这是保证器件结构稳定的一个重要因素,也是实现柔性全有机显示的前提;另外,能应用于低成本的低温溶液加工技术中,这是OLET商业化的关键所在。

OLET中常用的电极材料有金、铝和ITO等。电极材料可与有机半导体层界面相互作用,从而影响器件的性能。这就要求电极材料能与半导体层的能级相匹配,从而使载流子能够顺利地从电极注入到半导体层。OLET作为发光器件,透明电极也是必不可少的,金电极和ITO电极等都能达到要求。衬底材料有玻璃、n型硅及塑料等。其中Santato等人在塑料衬底上制作了OLET器件,空穴迁移率达5×10-4cm2/Vs,对全有机柔性显示做了初步的探索。

结论

目前,有机发光晶体管所面临的主要问题是有机材料的迁移率比较低、双极型材料太少、载流子注入不平衡等,使得制成的器件晶体管性能和发光性能达不到应用的要求。解决问题的关键就在于开发双极型新材料、进一步优化器件结构及在载流子注入和发光效率之间找到平衡点,从而提高器件的性能。