半导体有机半导体电学性能论文

半导体有机半导体电学性能论文（精选2篇）

1.半导体有机半导体电学性能论文 篇一

基于有机半导体材料的有机场效应晶体管化学传感器

摘 要：化学传感器是基于有机半导体材料的有机场效应晶体管的一个重要的应用方向。本文介绍了有机场效应晶体管化学传感器的工作原理和优点，总结了近年来有机场效应晶体管化学传感器的发展过程、优化方法，以及此类器件在气体传感、液体传感等领域的不同应用方向。并对有机场效应晶体管化学传感器在将来的阵列化、多功能、柔性化等方向的发展趋势做了展望。

关键词：有机半导体；有机场效应晶体管；化学传感器；柔性电子器件

中图分类号：O62 文献标识码：A

有机半导体是基于有机共轭分子的一类具有半导体电学特性的有机物，根据其分子类型可以分为小分子有机半导体和聚合物半导体。科研工作者们围绕基于有机半导体材料的电子器件展开了大量的研究，认为有机半导体将开辟电子器件的新时代――有机电子器件时代。目前为止，大量的有机半导体材料被发现，已经形成了一个巨大的半导体材料体系。据不完全统计，已发现的有机半导体材料已经超过700种。和传统的无机半导体器件相比，有机半导体继承了有机物的特性，因此拥有一些优点，例如：有机半导体结构的多样性允许通过分子设计实现材料的功能化；有机半导体材料具有柔韧性，可以利用柔性基底，制备全柔性器件，进而得到柔性显示屏、柔性集成电路、电子纸等可卷曲、可折叠产品；大部分有机半导体材料可采用低成本易操作的溶液法进行器件的制备，如喷墨打印、旋涂、滴注、印刷等，有利于大规模制备集成电路，制备成本低等。由于有机半导体的这些特点，因而科研机构广泛地研究其用在有机发光器件、有机光检测器、有机太阳能电池、压力传感器、有机存储设备、柔性平板显示、记忆组件、大规模集成电路、电子纸等众多领域的潜在应用前景。

有机场效应晶体管是以有机半导体材料作为核心的晶体管器件，其器件结构如图1所示，包含半导体层，介电层以及3个终端（源极，漏极和栅极）。由于有机半导体作为有机物本身的物理和化学特性，因此其导电能力容易随着外部的环境而变化，这一特性使得有机场效应晶体管在化学传感中有着良好的应用前景。

随着科学技术的发展，以及人类对生活环境和生活水平的要求的提高，能有效探测各类有害化学物质的传感器在国防军事，工业生产，环境监控以及医疗卫生等方面有着越来越重要的作用。而近年来，关于食品卫生安全方面的问题和隐患正越来越受到人们的重视，比如蔬菜水果上的农药残留，奶粉中的三聚氰胺、过期食品的滥用，以及有害化学添加剂在食品中的使用等一系列事件和现象，更使得能方便有效地检测食品安全的传感器成为当前亟待研究的重要课题。常用的化学检测仪器通常成本高，体积大，操作复杂，无法完全满足当前的实际需要。尤其是在人们的日常生活中需要低成本易操作的检测方法，现有的检测仪器和手段的应用受到很多方面的限制。因此，研究一种低成本，操作简单，携带方便的有害物质探测传感器具有非常重大的科研意义。

基于有机场效应管的传感器有着成本低，简单轻便，检测方便快速等诸多优点。能极大地弥补大型化学检测仪器的不足，适合在日常生活中广泛应用，成为对现有化学检测仪器和手段的有效补充。更重要的是，可以通过化学合成的方法制备合成带有特定分子基团和分子结构的有机半导体材料，在保持材料的电学性能的同时，控制改变材料的化学特性，从而大大提高有机半导体材料对特定化学物质的探测灵敏度和选择性。此外，基于晶体管结构的传感器能直接以输出电流作为传感器的输出信号，不需要进行信号转换，因此结构简单，非常有利于传感器的小型化。相对而言，许多其他类型的传感器需要专门的附加器件把某种物理量或者化学量转化为电信号进行测量，使得整体的传感器器件结构相对复杂，不利于在日常生活中大范围地使用。而且基于晶体管结构的传感器能提供更多的关于探测目标物质的信息，从而得到更准确更具选择性的探测。

有机场效应管化学传感器的传感探测工作原理就是利用被检测物分子与有机半导体层之间的物理、化学反应来实现检测。例如利用被检测物质和有机半导体层的电荷相互作用、电荷掺杂等相互作用，引起有机场效应晶体管中的电荷的移动速度、浓度的改变，从而改变器件的输出电流特征，从而实现对化学物质的辨识性和定量化检测，因此提高传感灵敏度和选择性的基本策略是加强待检测物与半导体特异性相互作用。

早期有机场效应晶体管化学传感器的研究主要集中气体传感中。近些年，有机场效应晶体管的研究被拓展到了液体传感中。比如斯坦福大学的鲍哲南教授和她领导的团队报道了能在水溶液环境下工作的基于有机半导体薄膜晶体管的传感器。当前国际上现有研究中的有机场效应晶体管化学传感器基本都基于薄膜晶体管结构，然而有机半导体薄膜结构的固有特性限制了化学传感器灵敏度和反应速度进一步提高的空间。因为探测目标分子需要在有机半导体薄膜中扩散传输，并在所有可吸附点达到浓度平衡后才能使有机场效应晶体管化学传感器的反应达到最高点。因此有机场效应晶体管中有机半导体薄膜的厚度在近几年的研究中不断被减小，以减小探测目标分子在扩散穿透薄膜所需的时间，从而提高传感器的灵敏度和反应速度。科研人员曾研究开发了超薄的有机半导体薄膜晶体管传感器，最薄的有机半导体薄膜达到了几个纳米厚度，已经接近了这种薄膜结构的极限，无法再通过减小有机半导体薄膜厚度来进一步提高传感器性能。

未来的有机场效应晶体管，其发展方向主要有阵列化、多功能、柔性化等方向。阵列化的有机场效应晶体管使用多个同类或不同类的有机半导体和晶体管单元，将他们整合在一个器件上，这样不同的器件会对每种化学探测目标有不同的反应，从而形成一?N反应图谱，以此能有效提高器件的探测选择性和准确度。多功能化指器件具备除了化学传感以外不同的探测能力，例如对温度和压力的探测。柔性化的有机场效应晶体管利用有机半导体本身的柔性优点，制备整体能弯曲变形的传感器薄膜，可以在电子皮肤等领域有潜在应用。此外，进一步提高有机场效应晶体管化学传感器的长期稳定性也是一个重要的发展方向。而从传感器种类方面看，有机场效应晶体管传感器的种类将越来越多，也越来越完善。有机场效应晶体管传感器的核心部分是有机半导体层，因此有机半导体材料的发展对有机场效应晶体管传感器的发展起到重要推进作用。随着有机半导体材料种类的继续增多，基于有机半导体材料的传感器种类和数量也将逐渐增多，这种便捷的低成本传感器将用于更多的场合，获得更好的性能。

参考文献

[1]胡文平.有机场效应晶体管[M].北京：科学出版社，2011.[2]刘雅玲，李洪祥，胡文平，等.有机单晶场效应晶体管[J].化学进展，2006（18）：189.

2.半导体有机半导体电学性能论文 篇二

近年来,有机半导体自旋注入的理论研究和实验研究都取得了巨大进展[1,2,3,4,5,6,7]。理论研究方面,Xie等[5]首先研究了铁磁金属/共轭聚合物界面的基态性质,证明了电子可以从庞磁电阻(CMR)材料注入到聚合物,而且注入的电子优先转化成没有自旋的双极化子。Ruden等[6]假设有机半导体中的载流子和无机半导体的载流子一样带有1/2的自旋,并在此基础上研究了注入界面附近的电荷流密度和自旋流密度。最近,Ren等[7] 基于有机半导体和无机半导体载流子的不同,进一步探讨了铁磁体的电导率、极化子数量及界面电阻对FM/OSE体系自旋极化的影响。同时实验研究也表明,在有机半导体内可以成功地进行自旋注入。

事实上,有机半导体的自旋注入效率受到很多因素的影响,如有机半导体极化子电导的自旋相关性:FM/OSE自旋注入体系一旦发生自旋注入,注入的电子就会转化成有机半导体的极化子和双极化子,有机半导体发生自旋极化。如果载流子产生的电导与它们相应的浓度成正比,那么,自旋向上的极化子和自旋向下的极化子就会因为有机半导体的自旋极化而产生不同的电导。极化子电导的自旋相关性可表示为:

式中:σp↑(↓)为自旋向上(自旋向下)的极化子产生的电导;σ为有机半导体的总电导。因为有机半导体中的极化子较少,研究中通常忽略电导的自旋相关性对自旋注入效率的影响,但从物理机制方面考虑,极化子电导的自旋相关性对自旋注入有着非常重要的影响。本实验利用自旋扩散理论研究了电场作用下有机半导体极化子电导自旋相关性对自旋注入效率的影响。

1 模型和公式

选用自旋漂移扩散方程来探讨电场对自旋注入的影响。

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式中:n↑(↓)为自旋向上(自旋向下)非平衡极化子浓度;τs为自旋弛豫时间;jp↑(↓)为自旋向上(自旋向下)极化子形成的电流密度;undefined为电场,V(x)为有机半导体区域的电势分布;Cd为扩散系数;μ为迁移率;σ↑(↓)为自旋向上(自旋向下)极化子形成的电导。极化子扩散系数与迁移率的关系为:

极化子产生的电导与极化子的浓度成正比。一旦发生自旋注入,有机半导体发生自旋极化,将产生不同浓度的自旋向上的极化子和自旋向下的极化子,因此,自旋取向不同的极化子会形成不同的电导——极化子电导的自旋相关性β1。反过来,极化子电导的自旋相关性也会影响有机半导体的自旋注入。假设由于自旋注入,自旋向上(自旋向下)极化子电导发生的变化为:

式中:σ0↑(↓)为有机半导体没有发生自旋极化时自旋向上(自旋向下)极化子形成的电导,而且Δσ↑(↓)与自旋向上(自旋向下)非平衡极化子浓度n↑(↓)成正比[8]。因此,发生自旋极化的有机半导体中自旋向上(自旋向下)极化子的电导可以表示为:

式中:σ为有机半导体的总电导率;γ=np/(np+nbp)为有机半导体中极化子在总载流子中所占的比例;np为极化子的浓度;nbp为双极化子的浓度。如果有机半导体在自旋注入过程中保持电中性(n↑+n↓=0),可以从式(2)、式(3)得到稳态 (∂(n↑-n↓)/∂t=0) 时自旋极化浓度的方程[9]:

式中:λs为极化子的固有自旋扩散长度。采用一维半无限的FM/OSE自旋注入结构, 其中x=0对应铁磁层FM和有机半导体层OSE的界面,x<0是铁磁层FM区域 ,x>0是n型有机半导体OSE区域。 FM/OSE结构上所加外电场的方向与x轴正向相反。定义有机半导体的自旋注入效率[2]为:

式中:α(x)=(j↑-j↓ )/j;β0=(σF↑-σF↓)/σF为FM铁磁层电导的自旋极化率;σF为FM铁磁层的总电导率;σF↑(↓)为自旋向上(自旋向下)载流子产生的电导率。式(7)在有机半导体中的解可以写为[10]:

如果有机半导体自旋极化很小n↑(↓)≪1,那么,有机半导体中自旋向上(自旋向下)极化子产生的电化学势就应满足:

式中:n0为有机半导体中极化子的浓度。铁磁层中电化学势满足[4]:

铁磁层中电流密度和载流子的电化学势满足undefined[11,12,13,14],在FM/OSE界面上j↑(↓)可以表示为:

式中:G↑(↓)为自旋向上(自旋向下)极化子产生的电导。在低电场区域,G↑(↓)随电场变化不大,因此实际体系的界面电阻可以用G↑(↓)作很好的近似[3]。

从式(1)-式(12)可以推导出有机半导体的自旋注入效率和电导的自旋相关性:

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式中:λN2=λuλd,λu (d) 来自于式(2),分别对应于电场作用下上游(下游)载流子自旋扩散长度。

2 结果与讨论

式(13)给出了有机半导体自旋注入效率和极化子电导自旋相关性的关系。FM/OSE界面上x=0,极化子电导的自旋相关性随自旋注入效率的变化关系如图1所示(选用参数为: 1/G↓=10-4Ω·cm2;1/G↑=10(1/G↓);γ=0.7;β0=0.8;λf=100nm;λN=3000nm;σ0=0.8(Ω·cm)-1;σf=1(Ω·cm)-1。随自旋注入效率的增大,电导的自旋相关性急剧增大,当T=5K、自旋注入效率增大30%左右时,电导的自旋相关性增大近4个数量级,即使在T=250K下,电导的自旋相关性也将增大2个数量级左右。这是因为自旋相关的电导β1与自旋极化密度P(x)密切相关[3],而有机半导体的自旋注入效率η(x)又直接影响着自旋极化密度P(x),随自旋注入效率η(x)的增大,自旋极化密度P(x)迅速增大,致使极化子自旋相关的电导β1也发生同样的变化。这表明电导的自旋相关性对自旋注入具有非常重要的意义,在讨论自旋注入的相关问题中应该考虑电导自旋相关性的影响。

图2为极化子电导的自旋相关性β1和电场的关系(其它参数同图1)。从图2可以看出,随着外电场的增大,电导的自旋相关性迅速增大,T=5K时,当外电场从零增大到1mV/μm的过程中,电导的自旋相关性增大了近4个数量级,这是因为电导的自旋相关性与极化子的有效自旋扩散长度λd密切相关(见方程(14))。λd会随外电场的增大而增大,外电场可以通过作用λd而影响电导的自旋相关性,最终致使有机半导体的自旋相关的电导随外电场的增大而增大。

另外,式(14)说明自旋注入使有机半导体极化子电导的自旋相关性β1为位置的函数。在有机半导体不同的位置上,极化子电导的自旋相关性β1也不相同。图3为发生自旋注入的有机半导体自旋相关的电导随极化子所在位置x的变化关系(其它参数同图1)。在极化子固有的自旋扩散长度内,有机半导体极化子电导的自旋相关性β1随着到FM/OSE界面距离的增大而减小。但当电场大于100μV/nm后,极化子电导的自旋相关性β1几乎不再随极化子所在位置发生变化,说明极化子电导的自旋相关性直接与自旋极化密度(自旋积聚)密切相关。自旋极化密度是产生电导自旋相关性的直接原因。归根结底,电导的自旋相关性是由于FM到OSE的自旋注入而产生的。图4为有机半导体的η随极化子所在位置x的变化关系(其它参数同图1),也进一步证明了这一点。

3 结论