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系統識別號 U0026-0309201513294800
論文名稱(中文) 十三烷基駢本衍生物軟性薄膜電晶體之機械穩定性研究
論文名稱(英文) Mechanical stability of N,N′-ditridecylperylene-3,4,9,10- tetracarboxylic diimide-based flexible thin-film transistors
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 光電科學與工程學系
系所名稱(英) Department of Photonics
學年度 103
學期 2
出版年 104
研究生(中文) 王志瑋
研究生(英文) Chi-Wei Wang
學號 l76034328
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 98頁
口試委員 指導教授-周維揚
口試委員-唐富欽
口試委員-鄭弘隆
中文關鍵字 軟性薄膜電晶體  穩定性量測  十三烷機駢苯衍生物 
英文關鍵字 PTCDI–C13H27  flexible organic thin-film transistors  mechanical stability 
學科別分類
中文摘要 本實驗研究以小分子PTCDI-CnH2n-1為主動層的N型軟性有機薄膜電晶體的穩定性測試,藉由線性移動式平台將元件控制在r = -40、-20、-10 mm及r = +40、+20、+10 mm下由0次撓曲至10000次,並在過程中量測元件的輸出電流特性曲線、轉換特性曲線及元件MISM與MIM架構的電容電壓量測。在實驗分析方面,利用雙束型聚焦離子束儀掃描式電子顯微鏡觀察撓曲5000次後元件的界面是否有剝落的情況,並利用光激發螢光光譜分析PTCDI層撓曲前後的差異。
元件以r = -40、-20、-10 mm及r = +40、+20、+10 mm撓曲由0至10000次的過程中,元件的飽和電流值會隨著撓曲次數的上升而下降,且元件的臨界電壓值也會上升,此外隨著曲率半徑的減少飽和電流值下降與臨界電壓值上升的幅度更為劇烈。在電容電壓量測方面,元件MISM架構的電容值會隨著不斷的撓曲而下降,且介面開始累積電荷的電壓值(On Set Voltage)也隨著上升,此意味半導體層內與介面的缺陷隨著撓曲次數的增加而上升,而MIM架構電容值並不隨撓曲曲率與次數所影響。由掃描式電子顯微鏡拍攝到撓曲過後的元件僅在源極與汲極部份的PTCDI與C-PVP剝離產生空氣隙,此PTCDI與C-PVP剝離產生空氣隙的現象多發生在撓曲的曲率半徑為正值時,且PTCDI的光激發螢光光譜並不隨著撓曲的半徑與次數而改變。
英文摘要 In this thesis, the mechanical stability of N,N’-ditridecyl-3,4,9,10-perylene tetracarboxylic diimide (PTCDI-C13H27)–based organic thin-film transistors (OTFTs) was studied and discussed. Bending OTFTs with radius of curvature of 10, 20, and 40 mm in compressive and tensile states were used to investigate the mechanical stability of devices by a linear-mobile stage. Electrical performance and interface damages of devices were analyzed during the bending operations of 104 times to study the mechanical stability of OTFTs.

The saturated source-drain current (IDS) of OTFTs decreases with increasing the times of bend during the bending operation. In addition, the saturated IDS severely decrease for the device under bending operations with curvature of 10 mm. The capacitance-voltage (C-V) measurement of metal-insulator-semiconductor-metal (MISM) structure decreases with increasing the times of bending operations. In contrast, the on-set voltage of C-V measurement increases with increasing the times of bending operations. These results indicate that the bending operation induces traps or defects in the flexible devices. A focus ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM) was used to observe directly the structure damages in OTFTs. By the FIB-SEM measurement, air-gaps were found at the interface between the insulator and the electrodes of OTFTs. These structure defects lead to the decrease of capacitance of OTFTs and the increase of on-set voltage in C-V measurement. Therefore, the deteriorative interface of OTFTs after mass bending operations leads to the degradation of electrical performances.
論文目次 目錄
中文摘要 I
Abstract III
誌謝 VII
目錄 VIII
表目錄 XI
圖目錄 XII
第一章 簡介 1
1.1有機半導體簡介 1
1.2研究動機 3
第二章 原理 4
2.1有機薄膜電晶體的基本構造 4
2.2 有機半導體載子傳輸機制 5
2.3 有機薄膜電晶體的操作原理 6
2.4 有機薄膜電晶體特性及基本公式 7
第三章 苯衍生物材料合成與有機薄膜電晶體製成與分析 14
3.1 前言 14
3.2 烷基駢苯衍生物的合成及高分子介電層配置 15
3.2.1實驗儀器及藥品 15
3.2.2 有機化合物的合成技術 17
3.2.3 高分子介電層的配製 19
3.3 有機薄膜電晶體的製程 20
3.3.1 基板清洗步驟 20
3.3.2 高分子介電層製作 21
3.3.3物理氣相沉積製成 22
3.4有機薄膜電晶體量測及分析儀器 24
3.4.1電性量測 24
第四章 不同撓曲半徑下軟性薄膜電晶體穩定性研究 30
4.1 前言 30
4.2 軟性薄膜電晶體穩定性電性分析 32
4.2.1 元件製程 32
4.2.2 軟性薄膜電晶體的量測參數與方式 33
4.2.3 電性結果 34
4.3 軟性薄膜電晶體穩定性電容分析 37
4.3.1 元件製程 37
4.3.2 電容量測方式與參數 39
4.3.3 電容結果與討論 40
4.4雙束型聚焦離子束儀與掃描式電子顯微鏡分析 45
4.4.1 元件製程 45
4.4.2 掃描式電子顯微鏡結果與討論 45
4.5 光激發螢光結果與分析 (Photoluminescence, PL) 50
第五章 結論 94
參考文獻 96


表目錄
表3-1 高分子介電層C-PVP配置克數。 29


圖目錄
圖2-1 (a)頂部接觸結構 (b)底部接觸結構 (c)上閘極型結構。 10
圖2-2實驗軟性PES基板元件架構。 11
圖2-3 有機半導體的載子傳輸機制。 12
圖2-4 N型有機薄膜電晶體載子傳輸 (a) VGS=0 V, VDS=0 V (b) VGS>0 V, VDS=0 V (c) VGS>0 V, VDS>0 V 。 13
圖3-1 烷基駢苯衍生物之化學反應。 26
圖3-2 十三烷機駢苯衍生物合成流程圖。 27
圖3-3高分子化學結構 (A) PVP (B) PMF 。 28
圖4-1 (A)曲率負值方向(B)曲率正值方向。 51
圖4-2 (A)MISM元件架構(B)MIM元件架構。 52
圖4-3 以r = -40 mm在撓曲不同次數後給予VGS = 40V所量測的(A)輸出電流特性曲線(B)飽和電流值。 53
圖4-4 以r = -20 mm在撓曲不同次數後給予VGS = 40V所量測的(A)輸出電流特性曲線(B)飽和電流值。 54
圖4-5 以r = -10 mm在撓曲不同次數後給予VGS = 40V所量測的(A)輸出電流特性曲線(B)飽和電流值。 55
圖4-6 元件以曲率半徑分別為 -40、-20、-10 mm由0至10000次撓曲後,給予VGS = 40 V且VDS = 40 V所量測的飽和電流值除以該曲率半徑(未撓曲前)的飽和電流值的規一化疊圖。 56
圖4-7 以r = +40 mm在撓曲不同次數後給予VGS = 40V所量測的(A)輸出電流特性曲線(B)飽和電流值。 57
圖4-8 以r = +20 mm在撓曲不同次數給予VGS = 40V所後量測的(A)輸出電流特性曲線(B)飽和電流值。 58
圖4-9 以r = +10 mm在撓曲不同次數後給予VGS = 40V所量測的(A)輸出電流特性曲線(B)飽和電流值。 59
圖4-10 元件以曲率半徑分別為 +40、+20、+10 mm由0至10000次撓曲後,給予VGS = 40 V且VDS = 40 V所量測的飽和電流值除以該曲率半徑(未撓曲前)的飽和電流值的規一化疊圖。 60
圖4-11 以r = +40 mm在撓曲不同次數後給予所量測的(A) 臨界電壓(B)根號ID。 61
圖4-12 以r = +20 mm在撓曲不同次數後給予所量測的(A) 臨界電壓(B)根號ID。 62
圖4-13 以r = +10 mm在撓曲不同次數後給予所量測的(A) 臨界電壓(B)根號ID。 63
圖4-14 MISM元件架構控制在曲率半徑r = -40mm下撓曲0、100、 200、300、500、1000、2000、5000、10000次後的電容值。 64
圖4-15 MISM元件架構控制在曲率半徑r = -20mm下撓曲0、100、 200、300、500、1000、2000、5000、10000次後的電容值。 65
圖4-16 MISM元件架構控制在曲率半徑r = -10mm下撓曲0、100、 200、300、500、1000、2000、5000次後的電容值。 66
圖4-17 元件MISM架構控制在曲率半徑分別為 -40、-20、-10 mm由0至10000次撓曲並給予電壓10v所量測的電容值除以改曲率半徑的初始(未撓曲前)電容值的規一化疊圖。 67
圖4-18 元件分別以r = -40、-20、-10 mm撓曲不同次數下的電容曲線的累積區初始點變化值。 68
圖4-19 MISM元件架構控制在曲率半徑r = +40mm下撓曲0、100、 200、300、500、1000、2000、5000、10000次後的電容值。 69
圖4-20 MISM元件架構控制在曲率半徑r = +20mm下撓曲0、100、 200、300、500、1000、2000、5000次後的電容值。 70
圖4-21 MISM元件架構控制在曲率半徑r = +10mm下撓曲0、100、 200、300、500、1000、2000、5000次後的電容值。 71
圖4-22 元件MISM架構控制在曲率半徑分別為 +40、+20、+10 mm由0至10000次撓曲後並給予電壓10v所量測的電容值除以改曲率半徑的初始(未撓曲前)電容值的規一化疊圖。 72
圖4-23 元件分別以r = -40、-20、-10 mm撓曲不同次數下的電容曲線的累積區初始點變化值。 73
圖4-24元件分別以r = -40、-20、-10 mm撓曲不同次數下的電容曲線的累積區初始點變化值。 74
圖4-25 MIM元件架構控制在曲率半徑r = -40mm下撓曲(A)0次電容值(B)為取撓曲0~10000平均電容值對次數作圖。 75
圖4-26 MIM元件架構控制在曲率半徑r = -20mm下撓曲(A)0次電容值(B)為取撓曲0~10000平均電容值對次數圖。 76
圖4-27 MIM元件架構控制在曲率半徑r = -20mm下撓曲(A)0次電容值(B)為取撓曲0~5000平均電容值對次數作圖。 77
圖4-28 元件MIM架構控制在曲率半徑分別為 -40、-20、-10 mm由0至10000次撓曲所量測的平均電容值除以改曲率半徑的初始(未撓曲前)平均電容值的規一化疊圖。 78
圖4-29 MIM元件架構控制在曲率半徑r = +40mm下撓曲(A)0次電容值(B)為取撓曲0~10000平均電容值對次數作圖。 79
圖4-30 MIM元件架構控制在曲率半徑r = +20mm下撓曲(A)0次電容值(B)為取撓曲0~10000平均電容值對次數作圖。 80
圖4-31 MIM元件架構控制在曲率半徑r = +10mm下撓曲(A)0次電容值(B)為取撓曲0~5000平均電容值對次數作圖。 81
圖4-32 元件MIM架構控制在曲率半徑分別為 +40、+20、+10 mm由0至10000次撓曲所量測的平均電容值除以改曲率半徑的初始(未撓曲前)平均電容值的規一化疊圖。 82
圖4-33 元件以曲率半徑r = +20撓曲5000次後源極與汲極表面倍率為(A)80倍(B)500倍的SEM圖。 83
圖4-34 在圖4-22(B)圖A位置倍率10000倍的剖面SEM圖。 84
圖4-35 在圖4-23中(A)A位置(B)B位置(C)C位置倍率為100000倍的剖面SEM圖。 85
圖4-36 元件以曲率半徑r = +20撓曲5000次後在通道剖面倍率為(A)2000倍(B)10000倍的SEM圖。 86
圖4-37 元件以曲率半徑r = +20撓曲5000次後在MIM架構(A)表面(B)剖面的SEM圖。 87
圖4-38 元件以曲率半徑r = -20撓曲5000次後源極與汲極的SEM圖。 88
圖4-39 在圖4-27中A位置倍率為(A)10000倍(B)100000倍的剖面SEM圖。 89
圖4-40 在圖4-27中B位置倍率為(A)10000倍(B)100000倍的剖面SEM圖。 90
圖4-41 元件以曲率半徑r = -20撓曲5000次後通道(A)表面(B)剖面的SEM圖。 91
圖4-42 元件以曲率半徑r = -20撓曲5000次後MISM架構(A表面(B)剖面的SEM圖。 92
圖4-43 光激發螢光光譜(A)r = -40mm(B) r = -20mm (C) r = -10mm (D) r = +40mm (E) r = +20mm (F) r = +10mm 93
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