环境水作用下多晶薄膜有机场效应晶体管性能变化及掺杂剂的调控作用

摘要

多晶有机薄膜半导体因兼具高载流子迁移率和低成本溶液加工优势而备受关注，但其电学性能对环境湿度高度敏感，严重制约了器件的长期稳定运行。针对这一关键科学问题，本研究系统研究了环境水分对基于有机半导体小分子/聚苯乙烯共混多晶薄膜有机场效应晶体管(OFET)电学性能的影响。研究结果表明，环境水分在器件中发挥着双重作用机制：一方面，水分子聚集于晶界及半导体/介电层界面，作为缺陷源引入额外陷阱态，导致载流子迁移率逐渐下降并引发阈值电压的正向漂移；另一方面，水的高介电常数所引起的极化效应可增强沟道载流子调制能力，从而暂时提升电流响应。然而，该极化过程本质上具有动态特性，最终导致器件参数的显著波动和长期电学不稳定性。为抑制水分诱导的不利影响，我们引入分子掺杂剂作为结构调控与界面稳定手段。尽管1%掺杂剂的引入导致晶粒尺寸减小并略微牺牲了器件的初始性能，但其有效钝化了晶界缺陷，显著抑制了水分相关的陷阱形成，从而大幅提升了器件在空气环境下的长期稳定性，使迁移率与阈值电压在长时间暴露后仍保持良好稳定。本研究揭示了环境水分在多晶OFET器件中同时充当“陷阱诱导源”和“极化介质”的本质作用机制，并提出了一种简便而有效的分子掺杂策略，为实现高性能且环境稳定的多晶OFET提供了新的设计思路。

关键词

有机场效应晶体管 / 多晶薄膜 / 水极化 / F₄TCNQ掺杂 / 环境稳定性