吉田休日 X 人間探索

Carrier Transports in Flexible Pentacene- and Tetracene- Based Thin Film Transistors 

一、概要

本研究主要探討五環素與四環素製備之有機薄膜電晶體在彎曲實驗之下的載子傳輸特性。首先利用彎曲後蒸鍍之方式製作具有壓縮應力(內彎曲)的半導體薄膜，製作成彎曲有機薄膜電晶體，與未彎曲的有機薄膜電晶體進行相互比較與討論。電晶體在內彎曲後之載子移動率會有明顯提升，與文獻所研究結果相符合。五環素電晶體在內彎曲後之載子移動率上提升了25.8%，而在四環素電晶體提升為2.1%。在驗證部分，利用X光繞射儀與紫外光/可見光光譜儀來進行分析後，發現有機薄膜電晶體在內彎曲下之載子傳輸，不僅受到文獻上所強調之分子耦合作用力提升影響，亦須考量重組能在彎曲之後所造成之影響；而此兩項因子的提升，所造成之載子跳躍率變化，也更加符合實驗中電晶體載子移動率的變化，達到更準確了解有機薄膜電晶體在內彎曲下與電性變化效果之關係。本實驗提出一個簡單的驗證模式，來探討有機薄膜電晶體內彎曲後載子移動率變化，也因此提供了一個簡易的方法，來選擇有機半導體材料應用於軟性電子領域等上。  本篇研究為碩士班之學位論文，然而研究中所建立之傳輸模型上有諸多問題需要更進一步釐清與改進。

二、研究動機
近年來，因為有機顯示器與軟性電子方面的應用，有機薄膜電晶體(Organic Thin Film Transistor)的運用也開始受到廣泛的研究。有機薄膜電晶體具有低成本，低製程溫度的特性，與有機顯示器的元件有良好的相容性，具有整合成全有機電路的潛力。2005年，日本東京大學初步採行了有機電晶體彎曲的研究[1]，而2006年，國立成功大學鄭弘隆教授的研究團隊將拉曼光譜檢測有機分子做用力的研究應用到有機薄膜電晶體上[2]，於是，2008年便有新加坡南洋理工大學的團隊將拉曼光譜檢測運用到有機薄膜電機體彎曲的檢測上[3]。然而，在彎曲之下的有機半導體與有機薄膜電晶體電子遷移率(mobility)的關聯性仍然處於尚未被完全理解的狀態，有鑑於此，我們希望針對彎曲之下的有機薄膜電晶體特性進行電性與物理分析的研究。


三、研究方法
本研究使用了兩種形式的有機半導體：五環素(Pentacene)與四環素(Tetracene)，將其運用於製作有機薄膜電晶體，五環素具有強分子交互作用，是非常常被使用為有機半導體的材料，而四環素一般在認知上較五環素的分子作用力弱，因此本研究希望透過這兩種材料的彎曲特性，去比較其在彎曲下的電性變化，以及透過相關的物理檢測，來推測有機分子在應力之下會產生的物理變化，以及其對電子遷移率的連結。

本研究將兩種材料製作成有機薄膜電晶體，並且比較其未加應力時的電子遷移率，以及加應力之後的電子遷移率，藉此以比較其相關特性。

四、結果與分析

電晶體的電性結果顯示，外加應力後五環素的電子遷移率改變了25.8%，然而四環素僅改變2.1%。
於是我們利用UV-VIS光譜對兩者的分子所產生的Davydov Splitting，對有機分子作用力變化進行分析，發現應力之下五環素的分子間作用力增加了12.7%，而四環素則增加了4%，與電子遷移率的變化並不一致。

於是，根據有機電子傳輸的理論Marcus-Hush Theory[4]，我們發現，在考慮有機電子傳輸時，我們不能單考慮分子間交互作用，我們還需考慮到另一項因此：重組能(Reorganization Energy)。

經過研究，有機分子內的重組能可以UV-VIS光譜檢測Huang-Rhys Factor[5]來獲得，經過計算後，我們發現在應力之下，五環素的重組能增加了1.3%，而四環素卻增加了將近4%。如將此結果帶入Marcus-Hush方程式，我們可以得出有機分子內電子遷移率的變化量，五環素為25.%，四環素為1.3%，大致上更為符合電性的結果。

五、結論

本研究發現，有機分子在彎曲之下，不單是其分子間作用力，其分子內部的重組能也會受到影響，此兩者的疊加則影響電子在有機分子內移動的遷移率，進而影響有機薄膜電晶體的遷移率。本實驗對於有機薄膜電晶體物理提供了新的觀點，也期望能加速對於有機元件在應用上的腳步。

六、參考文獻

[1] T. Sekitani, Y. Kato, S. Iba, H. Shinaoka, and T. Someya, „Bending experiment on pentacene field-effect transistors on plastic films,“ Appl. Phys. Lett., vol. 86, pp. 073511, Feb. 2005.

[2] H. L. Cheng, W. Y. Chou, C. W. Kuo, and F. C. Tang, „Electric field-induced structural changes in pentancene-based organic thin-film transistors studied by in-situ micro-Raman Spectroscopy,“ Appl. Phys. Lett., vol. 88, pp. 161918, Jun. 2006.

[3] H. S. Tan, S. R. Kulkarni, T. Cahyadi, P. S. Lee, S. G. Mhaisalkar, J. Kasin, Z. X. Shen, and F. R. Zhu, „Solution-processed trilayer inorganic dielectric for high performance flexible organic field effect transistors,“ Appl. Phys. Lett., vol. 93, pp. 183503, Nov. 2008.

[4] S. -H. Wen, A. Li, J. Song, W. -Q. Deng, K. -L. Han, and W. A. Goddard III, „First-principles investigation of anisotropic hole mobilities in organic semiconductors,“ J. Phys. Chem. B., vol. 113, no. 26, pp. 8813, Jun. 2009.

[5] S. Guha, J. D. Rice, Y. T. Yau, C. M. Martin, M. Chandrasekhar, H. R. Chandrasekhar, R. Guentner, P. Scandiucci de Freitas, and U. Scherf, „Temperature dependent photoluminescence of organic semiconductors with varying backbone conformation,“ Phys. Rev. B., vol. 67, pp. 125204, Mar. 2003.