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有机发光二极管（OLED）的性能已经不足以满足很多领域的需求，所以在过去的几年中，有机发光晶体管（OLET）越来越受到科学技术界的关注。

OLET 已被证明具有更高的电流密度和更高的外部量子效率 、器件结构的固有特性、优于等效二极管的性能以及空间可调谐的光发射。

OLET相比OLED简化了结构，从而从整体上简化了制造时间、成本，提高了产量。

然而，实现高性能有机发光晶体管需要大的漏极电流和大的光输出。

经过实验，我们证明了高k聚偏二氟乙烯 （PVDF）基聚合物的介电层可以大幅降低器件驱动电压并提高其光电性能，从而实现低偏置双极柔性发光晶体管，从而实现柔性有机发光器件的应用。

一、P(VDF)基薄膜的介电特性

我们在玻璃/ITO基板上制作类电容器结构（电极/介电薄膜/电极），以评估聚合物薄膜的介电性能。

针对每种薄膜厚度制造了八个测试电容器，其中每个电容器均由夹在ITO（底部电极）和银金属薄膜（顶部电极）之间的高k聚合物形成。

我们测量的共聚物薄膜的电容值范围在2到6nF之间，三元共聚物薄膜的电容值范围在9到18nF之间。

三元共聚物的不可忽略的差异可能与溶剂的固有介电性能有关。

就这些薄膜的电鲁棒性而言，在我们的实验条件——最大施加偏压100V内，所有介电薄膜都没有达到击穿并且表现出可忽略不计的漏电流。

研究表明，底层可以强烈影响顶部沉积的有机半导体层或生长的晶体的分子堆积。

对于几种成核和生长机制，例如直接冷凝和成核以及液滴聚结，晶体定向的能力与聚合物基底的表面、其晶粒尺寸和边界直接相关。

在有机晶体管领域，底栅架构又和它关系密切，并且对材料的迁移率和器件性能有直接影响。

例如，表明载流子迁移率随着表面覆盖范围的增加而迅速增加，证明前几个（两个）单层确实在中占主导地位。

因此，界面在整个器件电荷传输中起着重要作用。

我们通过原子力显微镜(AFM)研究代表性PVDF薄膜的表面形态，并标记聚合物和溶剂含量。

在我们的实验中，所有薄膜都显示出非常低的表面粗糙度（rms<3nm），与厚度、聚合物和溶剂无关。

对于这两种含氟聚合物，我们观察到典型的米粒状结构，这是基于P(VDF-TrFE)的配方的一个众所周知的特征，用于在低于顺电温度Tpara的温度下进行聚合过程（铁电-顺电相变）。

对于本工作中使用的共聚物组合物（单体比例为70:30），先前报道的顺电温度为130°C。

PVDF基聚合物薄膜在不同温度下的退火预计会引起表面形态的巨大变化：

从米粒状(Tpara）。

在我们的样品中，退火是在110°C的空气中进行的，因此，我们预计表面结构不会发生剧烈变化。

此外，使用低沸点溶剂还具有有利于薄膜表面自然存在的溶剂和水的相似蒸发速率的优点，从而产生整体光滑的表面。

我们根据（垂直）电场而不是施加偏压来分析，以便能够更直接地比较不同厚度的薄膜。

CE扫描从本征偏振态(E=V=0)开始，直至+Emax=Vmax/t，然后进行反向扫描扫描至-Emax并返回零场。

这实际上是模拟了极化状态，从而模拟了晶体管工作时薄膜所经历的电容变化。

二、P(VDF)基薄膜作为有机发光晶体管中的栅极电介质

实验中，我们使用底栅/顶接触(BG-TC)晶体管配置，器件有源区由具有三个堆叠有机层的多层结构组成：

第一层（与电介质直接接触）和第三层是场效应空穴传输层和电子传输半导体，而中间层，其中发生电子-空穴复合和发射过程，是一个主客体矩阵系统。

我们使用了20%的三(4-咔唑基-9-基苯基)胺和三(1-苯基异喹啉)铱(III)(TCTA:Ir(piq)3的混合物。

这种主客体组合通常用于针对可见光谱中626nm附近红色发射的有机发光器件，并且掺杂百分比已在其他地方进行了优化。

然后我们将银漏电极和源电极(70nm)沉积在最上面的有机层顶部，观察具有相似厚度（350-460nm）范围内的不同介电层的有机发光晶体管的光电特性。

我们实验的器件都是同时制造的，具有相同的晶体管几何形状，它们唯一的不同之处在于介电层材料。

此外，我们应用了偏差高达|50|V的PVDF的OLET，PMMA的器件最高为|100|V，这是我们可以通过实验施加的最大电压，这可确保PMMA晶体管的完全饱和状态。

我们根据（垂直）栅极场(EG=VG/t)来比较晶体管，以考虑不同厚度的介电膜。

我们在此注意到，在基于PVDF和基于PMMA的器件中，水平场(EDS=VDS/L)是不同的，其中EDS(PMMA)=2EDS（基于PVDF）。

所有测量均在手套箱环境内进行，确保设备上不存在水分子和/或氧气等吸附物质，这可能会妨碍设备的正确运行。

根据绘制的有机发光晶体管的饱和传输曲线（IDS与VG）和相应的电致发光光功率（EL），使用P（VDF-TrFE），P（VDF-TrFE-CFE）和PMMA作为所施加的栅极场（EGS，相对于源电极）的函数，并相应地标记了正向和反向扫描。

我们的实验结果表明：

对于我们的栅极场，三元共聚物和共聚物的漏源电流和光输出值在相同范围内，三元共聚物的性能稍好（更高的IDS和EL）和更低的阈值场（预计介电常数更大）

共聚物的较大磁滞现象再现了P(VDF-TrFE)薄膜的铁电性质，偏置时的诱发极化预计会影响器件中各个界面上施加的局部（栅极）场。

我们发现，使用含有甲基乙基酮的薄膜的器件表现出相似的性能（和效率），但在较低的场强下，在开发低功耗器件时具有非常理想的特性。

这可能受到溶剂的物理性质（即极性和介电常数，这可能会改变界面处的局部场）及其对OSC堆积和薄膜形成的影响的影响，从而导致改善的传导（改善的半导体结晶度）。

另一方面，当对P(VDF-TrFE-CFE)基薄膜使用不同溶剂时，观察到的差异可以忽略不计，这表明在三元共聚物的情况下，溶剂的贡献减少了。

然而，考虑到此处使用的多层结构的复杂性，目前超出了我们区分个体贡献的实验能力。

我们的实验结果得出的一个非常重要的结果，基于PVDF的OLET在双极状态（特征“V”形）下运行，空穴和电子之间的传输更加平衡。

我们观察到在施加偏压范围内p电流和n电流之间存在大约一个数量级的差异，其中空穴在整个器件传输中占主导地位。

多层有机发光晶体管中的双极性行为可以通过器件结构来解释，其中有源区域可以描述为两个相反偏振的平行OTFT。

在p型转移扫描(ID-VG)期间，我们观察到两个发射光的范围：第一个，只有p型OTFT工作，第二个，两个OTFT都处于导通状态，具有平衡的载流子密度（在传输曲线的顶点附近），并且少数载流子数量从n型半导体层向复合区域增加。

双极性传输在OLET中是非常理想的，因为发射的光位于通道内，因此通过有效的电子空穴平衡实现激子复合最大化。

然后，这可以同时启用设备中的顶部和底部发光。

另一方面，如果OLET在单极状态下工作，复合将发生在漏电极附近，其中电荷激子猝灭会阻止有效的复合过程，并且电极本身可能会阻碍该方向的光提取。

三、不同介电薄膜的OLET的介电性能以及光学和电学性能

我们发现，在发光晶体管的情况下，空穴（电子）的迁移率一致为0.5–0.8(5×10-3–7×10-2)cm2/Vs，与基于单个半导体的相应单层有机场效应晶体管相比，其大约小一个数量级。

所有器件的漏电流都可以忽略不计（至少比漏源电流的最大值低三个数量级），而基于PVDF的电介质的平均漏电流较大（10-100nA），很可能是由于偶极子较大偏置时电介质中的力矩。

此外，让我们考虑我们的设备在相同应用垂直场（EGS=1MV/cm）的限制下，在所有面板中表示为垂直灰线。

我们观察到，在这个领域，PMMA-OLET几乎尚未处于传导状态（亚阈值状态，Vth=-41V），而另一方面，基于P(VDF)的OLET已完全达到饱和状态，因此电流和电致发光预计会更高。

在饱和状态下，双极有机发光晶体管中的漏源电流可以看作是两种电荷传输机制的重叠：

其中Ci是介电层单位面积的电容，μsat和Vth是器件迁移率和空穴(h)和电子(e)的阈值，W(5mm)和L(100µm)是晶体管沟道分别是宽度和长度。

对于相同的栅极场，电流（以及光）的差异是薄膜介电常数差异的直接结果：

kPMMA~3,kP(VDF-TrFE)~12,kP(VDF-TrFE-CFE)~44(CP)/47(MEK)。这通常会导致用于增加k值的较低阈值电压。

然后可以根据以下线性拟合计算空穴和电子的场效应迁移率和阈值电压。

我们总结了使用不同介电薄膜（包括基于PVDF的共聚物和三元共聚物以及PMMA）的OLET的介电性能以及光学和电学性能。

实验结果显示器件的估计外部量子效率，基于PVDF的OLET总体上比PMMA同类产品更高效，EQE直接关联着激子形成和复合后流动的电荷数量和发射的光子数量。

我们观察到效率对栅极场有很强的依赖性，这是PMMA-OLET中不存在的一个特征，一旦光产生过程开始，效率在我们所施加的场的极限内近似恒定。

我们将观察到的差异（大约一个数量级）主要归因于基于PVDF的器件相对于PMMA器件（有机多层堆栈相同）中的空穴和电子传输平衡。

在多层结构的情况下，低迁移率电子半导体是实现高效器件的主要瓶颈，考虑到可以注入并可以在材料中传播（然后重新组合）的电子数量有限。

此外，我们在这里注意到，设备的效率是根据与底部发射相关的测量光来计算的。

在双极器件的限制下，看似在晶体管沟道内产生光，底部发射信号仅代表器件产生的总光的一小部分。

根据我们的实验结果，我们进一步在柔性基板上制造了有机发光晶体管。

首先通过旋涂将高k介电薄膜沉积到PET/ITO/Au/Ag透明基板（R标称值约10Ω）上，然后沉积多层有机结构。

导出玻璃和性基板上制造的P(VDF-TrFE-CFE)发光晶体管的代表性光学图像，可以看出它处于导通状态（饱和状态，VDS=VG=|50|五）。

这些器件的电致发光光谱证实了以630nm左右为中心的预期特征（宽）红色发射。

实验还测试显示了设备在弯曲条件下的整体灵活性，（OLET处于开启状态）并确认了OLET平台的整体稳健性。

虽然完整的机械特性超出了当前工作的范围，将在其他地方介绍，但这些发现显然为低驱动电压因而低功耗的真正柔性器件的应用开辟了道路。

此外，还重要的是要记住，不同配方的氟化聚合物类别还具有附加特性，例如压电性和热电性，因此有可能为有机发光器件平台提供更多功能。

四、结论

我们的实验研究了基于不同氟化介电层的有机发光晶体管。通过不同的聚合物和溶剂含量来设计其表面和介电性能，可以在有机发光晶体管中实现低偏置双极性行为。

双极性传输机制对于实现通道中更高的效率和光产生非常重要。

与使用传统PMMA介电薄膜的晶体管相比，基于PVDF薄膜（具有不同溶剂和聚合物）的OLET始终表现出低于20V的阈值偏置，并且光输出增强。

此外，我们还使用这些氟化高k将介电薄膜沉积到塑料基板上以实现柔性发光晶体管。

结果表明，基于PVDF聚合物的OLET有希望实现真正灵活的低功耗电子设备应用。

参考文献：

【1】BaoZ.，LocklinJ.，《有机场效应晶体管》

【2】MullenK.、ScherfU.，《有机发光器件：合成、性能和应用》

【3】HattonRA，《太阳能系统综合指南》

【4】MucciniM，《有机场效应晶体管的光明未来》