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[硕士论文] 宋飞
电路与系统 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着近几年微电子技术的蓬勃发展,硅基OLED微型显示设备以其微型便携的优点引起人们的高度重视。由于硅基OLED像素驱动电路需要正负两路电压供电才能达到显示效果,这两路电压分别提供像素驱动电路所需的正电压和硅基OLED公共阴极所需的负电压。本文的目的就是设计一个双输出的电源管理单元(PMU)为硅基OLED供电。
  首先,介绍了PMU中常用到的变换器类型,主要包括:低压差线性稳压器(LDO)、电荷泵和DC-DC开关电源,分析了三种变换器的性能优缺点,并结合课题的实际要求,本文所设计的PMU采用Cuk型DC-DC变换器和LDO相结合的新型结构。其中Cuk电路采用PWM调制的峰值电流控制模式输出负电压,同时Cuk电路产生的脉冲电压经过滤波得到直流电压,该直流电压通过LDO模块输出正电压,这两路输出电压在数值上均大于输入电源电压。
  本文设计的PMU电路主要包括两个部分:第一部分为输出正电压的LDO模块,其中的子模块主要包括基准电路、误差运放和开关电阻网络等,通过具体分析影响LDO电路稳定性的因素,设计采用一种无片外电容并带有密勒补偿的LDO结构;第二部分是PWM调制的负压输出模块,该部分的子模块包含了电流检测电路、斜坡补偿电路、误差运放、比较运放、环形振荡器和驱动电路等。由于负压输出部分采用外环电压、内环电流的双环负反馈结构,所以在设计时采用电压环路补偿网络和电流环路斜坡补偿电路来使得PWM调制的负压输出部分具有足够的相位裕度。
  PMU的电路仿真和整体的版图设计是在SMIC0.18μm1.8V/5V CMOS工艺下完成的,通过仿真可以得出,在2MHz开关频率和系统提供的3.3V、1.8V标准输入电源下,输出正电压在2~5.5V范围内可调,输出负电压在-2~-5.5V范围内可调,并且正负输出电压纹波均小于5mV。输出正、负电压的线性调整率(LNR)分别为5mV/V和20mV/V,负载调整率(LDR)分别为0.04mV/mA和0.15mV/mA。结果表明,本课题设计的PMU能够满足硅基OLED像素驱动电路的供电要求。
[硕士论文] 杨涛
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:如今集成电路的发展越来越快,其应用也非常广泛,涉及工业生产和人们生活的各个领域。但是随着芯片的集成度越来越高,其未来的发展也受到了一定的限制。最明显的就是芯片上晶体管的数目越来越多,导致芯片的面积和规模越来越大。所以本文采用浮栅MOS器件(FGMOS)来改善这一问题。
  本次论文首先分析浮栅MOS器件的基本工作原理和其具体的性能、特点;然后对浮栅MOS器件的HSPICE仿真模型进行分析与可行性验证;接下来以开关-信号理论为指导,详细分析了浮栅MOS器件在基本动态门电路中、增强型动态全加器中以及差分动态全加器中的应用。基于以上的分析和启发,提出利用浮栅MOS晶体管实现复合布尔函数和基于动态浮栅MOS管的差分门电路的设计,以及对基于浮栅MOS管动态异或门的改进和基于浮栅MOS管高速度低噪音全加器的设计。
  在动态电路中,利用浮栅MOS管最明显的优点是可以很方便的减少芯片上晶体管的数目。本文所设计的动态电路全部利用HSPICE仿真工具并采用TSMC0.35um双层多晶硅的CMOS工艺参数对所设计的电路进行模拟仿真,并且验证结果的正确性。通过与设计前的电路进行比较,得出优化后电路的优势所在。
[硕士论文] 赖学森
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:近几年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)的认证效率已经达到了22.7%,接近晶硅太阳能电池的效率,然而其光谱吸收范围仍主要局限在可见光区,而且在不同活性层间的电荷传输严重影响电池光电转换性能。本论文以提高PSCs的能量转换效率(PCE)等性能为目的,一是针对钙钛矿薄膜的光谱响应的局限性,通过IR806染料敏化上转换纳米粒子(IR806-UCNCs)嵌入钙钛矿光吸收层拓宽电池光谱吸收范围,二是为了改善钙钛矿量子点(QDs)光吸收层的电荷传输性能,通过界面构建碳纳米管(CNTs)高速电荷传输网络以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)界面修饰来改善量子点薄膜的电荷传输性能,以期提高PSCs的光电转换性能。具体内容如下:
  (1)将IR806-UCNCs嵌入到平面PSCs中,用以拓宽电池吸光层MAPbI3的光谱吸收范围,进一步提高电池近红外光(800-1000nm)捕获能力。采用NOBF4作为配体利用配体交换的方法制备出与钙钛矿前驱液相混溶的IR806-UCNCs,将混有IR806-UCNCs的钙钛矿前驱液通过一步旋涂原位嵌入的方法形成IR806-UCNCs嵌入的钙钛矿光吸收层,形成宽光谱响应的钙钛矿光吸收层。该薄膜能够通过IR806-UCNCs捕获800-1000nm的近红外光并将能量传递给Yb3+/Er3+,激发钙钛矿可吸收的可见光。在AM1.5G阳光照射下,IR806-UCNCs嵌入的平面PSC的PCE达到了17.49%,与未修饰PSC相比提高了29%。同时,在NIR(λ>780nm)光照射下获得了0.382%的转换效率。
  (2)采用热注射法制备了室温下相稳定的α-CsPbI3QDs,通过界面构建CNTs高速电荷传输网络以及表面修饰PMMA(CNTs-PMMA)以改善QDs吸光薄膜的电荷传输性能。PMMA的修饰减少了薄膜表面的缺陷态,同时阻挡了空气中水和氧气对QDs层的侵蚀;同时CNTs嵌入形成的电荷传输网络改善了薄膜导电性,提高了光生电荷的抽取效率和薄膜的电荷传输性能。这两种界面修饰的方式都减少了电子-空穴的复合,这也致使器件电流密度Jsc和填充因子FF得到了很大的改善,CNTs-PMMA界面修饰的电池PCE提高至7.27%,其稳定性要明显优于未修饰的电池,在36天后效率还维持在最高效率的83%,表明其空气稳定性的改善。
[硕士论文] 陈小丰
材料科学与工程 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:有机太阳能电池具有轻便、柔性以及可以大规模生产等优点受到越来越多的关注与重视。材料合成与器件工艺的不断发展持续推动着有机太阳能电池转换效率的提升。本论文基于合成的新型喹喔啉类聚合物给体材料,通过与不同的受体材料组合,制备二元或三元有机太阳能电池,系统研究受体材料的种类、器件制备工艺等对电池性能的影响规律。论文的主要工作如下:
  (1)合成了一种含有硫醚侧链的喹喔啉基聚合物PBDT-DFQX1,并将之分别与PC70BM、ITIC、ITTC受体材料组合,制备三种二元有机太阳能电池,系统研究了受体材料的种类、器件制备工艺等对电池性能的影响规律。基于PC70BM受体制备的器件的最高能量转换效率为6.19%,ITIC器件的效率为6.42%,而ITTC器件的效率达到9.70%,证明给/受体之间具有良好的光谱互补性是获得高性能电池器件的必要条件。
  (2)创新性的将SBS作为加工用添加剂应用于ITIC器件中。发现SBS可以诱导活性层中的分子产生更有序的排列,从而改善活性层中给/受体之间的相分离行为,由此同时提高了器件的填充因子与短路电流,将其能量转换效率由6.42%提高到了7.46%。
  (3)选择与给体材料HOMO/LUMO能级相差更小的受体O-IDTBR和N2200,分别与PBDT-DFQX1进行匹配制备非富勒烯聚合物太阳能电池(PBDT-DFQX1/O-IDTBR)和全聚合物太阳能电池(PBDT-DFQX1/N2200)。发现热退火处理工艺可以提高器件活性层的吸光强度与分子规整性;给/受体间很小的HOMO/LUMO能级差不影响电池中激子的分离和电荷传输行为,而有利于降低器件的开压损失,从而提高电池效率。基于PBDT-DFQX1/O-IDTBR的非富勒烯有机太阳能电池的效率达到8.67%,而开压损失只有0.56V;PBDT-DFQX1/N2200全聚合物有机太阳能电池的效率也达到6.66%,同时也保持着0.56V的低开压损失。
  (4)选择与PBDT-DFQX1在光谱上具有较好互补性的J52,将J52与PBDT-DFQX1作为给体,N2200作为受体,制备了三元全聚合物有机太阳能电池,获得了7.99%的能量转换效率。发现BDT-DFQX1与J52两个给体之间存在着能量转移,电池类型属于独立工作机制;高分辨AFM测试结果表明,第三组分的加入使得活性层的相图由二元电池的双连续结构转变为三元的海岛结构。
[硕士论文] 全乐
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:随着社会和工业日新月异的发展,大量废气的随意排放对生态环境造成了极大的影响。利用气体传感器可以对此类威胁环境和人类健康的有害气体进行监测和管控,因此研发灵敏度高、响应速度快、选择性和稳定性好的气敏传感器至关重要。目前常用的多为基于金属氧化物半导体的气敏传感器,然而这类传感器具有操作温度较高、选择性差等缺点,为了满足当今时代对气敏基底材料的要求。可用掺杂金属元素、引入碳基材料、与其他金属氧化物复合等方法对其改性。许多研究都表明对金属氧化物的改性可以有效提高纯组分金属氧化物半导体的气敏性能,如选择性、操作温度、响应时间等。具体内容如下:
  1、以钨酸钠为钨源,利用两步低温水热法制备一系列W与Fe原子比不同的WO3与α-Fe2O3金属氧化物。在180℃操作条件下,对10ppm三乙胺气体进行相关气敏性能的检测。根据实验结果可得,基于WFe2复合物(原子比=2∶1)的气敏传感器的对三乙胺表现出较高的气敏响应(14.3),与纯WO3和α-Fe2O3相比,复合材料的灵敏度有4.3和5.1倍的明显提高,较低的检测极限(38ppb),高的选择性和稳定性。文献中对于WFe复合物的气敏研究和有毒气体三乙胺的检测也报告较少,表明制备的WFe复合物在气敏领域有创新性。
  2、利用低温水热法,通过改变石墨烯含量复合合成了一系列rGO/Cu2O复合材料。根据实验结果可得,在常温下,基于1wt%rGO/Cu2O复合材料的NO2气体传感器具有高的响应(5.8),低检测限(32ppb),优异的选择性和对低浓度NO2(1ppm)的线性响应。结果表明制备的材料在室温条件下的高性能传感器应用中具有很强的竞争力。
[硕士论文] 贺崇煊
微电子学与固体电子学 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:SiC薄膜是宽禁带半导体材料,它具有热稳定性好、机械强度高、抗腐蚀、抗辐照等优异特性。本课题开展了SiC薄膜制备工艺研究,采用射频磁控溅射方法分别在单晶Si衬底和SiO2层上制备了SiC薄膜,利用X射线衍射、扫描电子显微镜、紫外可见光光度计、台阶仪等仪器对薄膜的微结构、表面形貌、禁带宽度等特性进行分析。在两种衬底类型上分别研究了溅射功率、沉积时间、衬底温度、退火温度等因素对SiC薄膜微结构特性的影响。两种衬底上生长的SiC薄膜的XRD图谱中,在33.5°处观察到SiC衍射峰,具有较好的(111)择优取向;并对玻璃衬底上生长的SiC薄膜进行光学特性分析,可得SiC薄膜禁带宽度可达2.89eV。在此基础上,基于MEMS技术设计了SiC薄膜压阻特性测试结构,采用剥离工艺和磁控溅射法制备了SiC薄膜测试电阻,并利用深槽刻蚀技术完成了具有SiC薄膜电阻的悬臂梁结构释放,实现了测试结构芯片的制作,并采用内引线压焊技术进行了芯片封装。
  通过SiC薄膜的制备和特性的研究,本文在SiO2/Si衬底上实现SiC薄膜的制备。采用台阶仪、真空气氛管式电炉和半导体特性分析系统搭建了SiC薄膜特性测试系统,对SiC薄膜电阻的温度特性和压阻特性进行测试,所制各的SiC薄膜电阻的温度系数为-2002ppm/℃,SiC薄膜电阻变化率△R/R与外加作用力F的比值为6.19×10-2/mN。
[硕士论文] 初开麒
电气工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:现如今,IGBT功率模块广泛应用在光伏发电、风力发电等领域。随着功率模块应用环境的愈加恶劣,功率模块可靠性已经成为影响系统安全性的重要因素。在功率模块长期运行中,键合线失效和焊料层失效是两类基本失效模式。本文以功率模块键合线失效为研究内容并基于饱和压降监测法进行理论分析与实验探究。理论上,当功率模块键合线失效时,功率模块饱和压降UCE随之增大。因此,通常将UCE作为监测键合线失效的特征量。
  本篇论文首先从功率模块的物理结构入手,从本质上分析功率模块失效的原因并证明物理材料的热膨胀系数是影响功率模块可靠性的关键因素。其次,从健康监测数据的角度,本文分析了传统的基于二维数据模型的键合线健康监测方法。该方法建立饱和压降和结温的二维曲线并根据二维曲线是否上移来判断功率模块键合线的健康状态,从而实现健康监测。这种基于二维数据模型的监测方法在实际应用中需要提供额定值较大的电流源,因而无法实现功率模块的在线监测。为了克服这一缺点,本文增加集电极电流这一变量并提出三维数据模型,从而满足在线监测所需的条件。为了验证其在线监测的可行性,本文搭建15KW三电平NPC光伏逆变器实验平台进行实验论证。实验结果显示,基于三维数据模型的监测方法建立饱和压降、结温和集电极电流的三维曲面并根据三维曲面是否上移来判断功率模块键合线的健康状态,从而实现在线健康监测并证明该监测方法具有较高的可行性。为了尽可能地减小在线监测过程对逆变器运行的影响,本文通过MATLAB仿真分析寻找最佳监测时刻和最佳监测时长,实现在线监测效益最大化。
  另外,本文研究了功率模块不同工作状态对诊断特征量参数的影响,并从寄生参数以及负载变化的角度建立多维功率模块数据模型进行可靠性分析,这为未来功率器件可靠性研究开辟了新的研究视角。
[硕士论文] 聂林辉
化学工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:WO3性质稳定且无毒,是一种重要的n型间接带隙半导体材料,在能量转化和存储领域都是关注的热点之一。已有研究表明,通过WO3形貌的变化、WO3与其他材料复合等方式可以提高WO3的电化学性能。
  本文利用水热法分别制备了薄膜WO3、纳米片阵列WO3和纳米树叶阵列WO3,在其表面电沉积制备了WO3/PANI复合电极,研究其作为超级电容器电极材料的性能,主要探讨了WO3形貌、退火处理对WO3晶相等性质的影响,并研究了WO3/PANI复合电极的电化学性能。结果表明,当Na2WO4浓度为5mmol·L-1、5.5mmol·L-1、10mmol·L-1时可分别得到薄膜WO3、纳米树叶阵列WO3、纳米片阵列WO3。以这三种不同形貌的纳米WO3为衬底,以50mV/s的电沉积扫描速率,15圈的循环周期,在其表面电聚合制备PANI,得到了薄膜WO3/PANI电极、纳米树叶阵列WO3/PANI电极、纳米片阵列WO3/PANI电极。相比于其它电沉积条件,该条件下所制备复合电极在电容容量、电极反应可逆性,PANI附着强度等性质上表现更优。在所制备三种电极中,退火薄膜WO3/PANI复合电极的电容为9.23mF·cm-2,其循环伏安曲线中氧化还原反应的电化学波在不同扫描速率下偏移较小,说明其可逆性好;退火纳米片阵列WO3/PANI复合电极电容为34.06mF·cm-2,退火纳米树叶阵列WO3/PANI复合电极电容为17.94mF·cm-2,两者的电化学波随着扫描速率增加时偏移程度相似,均较大,电极的可逆性比退火薄膜WO3/PANI复合电极差。
  为了对菊芋秸秆(Jerusalem artichoke,JA)这一生物质资源的二次利用,通过KOH活化菊芋秸秆得到菊芋多孔碳,再将菊芋多孔碳浸泡在WCl6的异丙醇溶液中两天,产物在空气气氛中煅烧后,得到WO3掺杂菊芋多孔碳(WO3/JA),将WO3/JA复合材料作为超级电容器的电极材料,探讨了WO3掺杂量对WO3/JA复合多孔碳电极电化学性能的影响。结果表明,在1mol·L-1H2SO4电解液中,电极的比电容达到了236F·g-1(电流密度1A·g-1),而菊芋多孔碳空白样比电容仅181F·g-1。WO3掺入多孔碳不仅提高了材料的导电性,也加强了电解质在电极上的渗透与扩散能力。
  利用水热法在WO3衬底上制备纳米树叶阵列WO3和纳米片阵列WO3,并作为骨架层应用于钙钛矿太阳电池中,探讨了退火温度对WO3纳米阵列形貌、晶相、光学带隙及对相应钙钛矿太阳电池光伏性能的影响。结果表明,未退火纳米树叶阵列WO3结晶水含量少,为WO3·0.33H2O晶体,在退火过程中结晶水逐渐消失,有利于钙钛矿的稳定,但因结晶水含量少,退火处理后其含量变化对钙钛矿稳定性提升效果不明显,而阵列退火后表面出现褶皱、空隙,会降低其作为空穴阻挡层的效果,导致空穴与电子的复合,退火温度越高,情况越严重,故随着退火温度的升高,其太阳电池光电转换效率明显下降,基于未退火纳米树叶阵列WO3的钙钛矿太阳电池获得最佳6.27%的光电转换效率;未退火纳米片阵列WO3的结晶水含量较多,为WO3·H2O晶体,在退火过程中结晶水逐渐失去,但同时阵列表面出现褶皱和空隙,导致纳米片之间空隙增大,导致空穴与电子复合情况发生。未退火时,因阵列含有大量结晶水,不利于钙钛矿稳定,退火后导致的空穴与电子的复合抵消了阵列在退火过程中失去结晶水带来的有利影响,故随着退火温度的升高,其光电转换效率均在较低的水平,未退火及150℃、300℃、450℃退火处理的纳米片阵列WO3对应的钙钛矿太阳电池光电转换效率为2.63%、2.44%、2.60%、2.95%。
[硕士论文] 张云峰
材料工程(化工) 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:聚3-己基噻吩(P3HT)及其衍生物具备合成过程简便、优异的电学性能和良好的环境稳定性等优点,一直是一种非常热门的有机半导体材料,被广泛应用于有机薄膜晶体管、有机光伏电池等电子器件。随着现代电子器件的发展,对半导体材料提出了更高的要求,材料的可延展性是其中的研究重点,但P3HT不具备这个特点。根据热塑性弹性体SBS的原则,设计以P3HT为硬链段的硬-软-硬结构的三嵌段聚合物将有望改善P3HT的机械性能,但合成方法困难,目前鲜有报道。本论文的实验内容及研究结果如下:
  (1)利用GRIM聚合机理,以Ni(dppp)Cl2为催化剂,通过顺次加入3-己基噻吩单体、十六烷氧基联烯单体、3-己基噻吩单体,“一锅法”合成了一系列聚(3-己基噻吩)-b-聚十六烷氧基联烯-b-聚(3-己基噻吩)(P3HT-b-PHA-b-P3HT)三嵌段聚合物。使用核磁共振氢谱、体积排除色谱法、傅里叶红外光谱法对反应进行监测和表征,结果表明反应过程活性可控,所制备的嵌段聚合物的分子量分布较小,均小于1.5。该聚合方法合成过程简单,产物易于提纯,简化了合成P3HT嵌段共聚物的步骤。
  (2)制备了以这些聚合物作为有源层的底栅顶接触式有机场效应晶体管(OFET)器件,研究了制备工艺、嵌段聚合物的结构、分子量、嵌段比对于OFET器件性能的影响。对器件性能的研究结果表明,高分子量的P3HT以及高含量的P3HT有助于提高嵌段聚合物的迁移率,器件的最高迁移率达到了4.54×10-2cm2·V-1·s-1。进一步研究了有源层薄膜的微观形貌,结果表明高分子量的P3HT以及高含量的P3HT有利于得到纤维长度更长、宽度更宽的纳米纤维结构,这将有利于载流子的传输。
  (3)初步研究了P3HT、P3HT-b-PHA、P3HT-b-PHA-b-P3HT三种材料在力场作用下的场效应性能和微观形貌的变化。研究结果表明,拉伸形变从0%增加到100%时,P3HT-b-PHA-b-P3HT三嵌段聚合物的场效应迁移率从6.01×104cm2·V-1·s-1下降到4.44×10-5cm2·V-1·s-1,要明显优于P3HT均聚物和P3HT-b-PHA两嵌段聚合物。并且通过微观结构研究发现,P3HT-b-PHA-b-P3HT三嵌段聚合物机械性能优于P3HT及P3HT-b-PHA两嵌段材料,在拉伸形变达到100%时仍具有较高的场效应迁移率,微观裂纹的数量更少。
[硕士论文] 吴少华
材料学 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着新型高性能、高溶解性有机半导体材料的出现,溶液法被认为是实现大面积、低成本、高性能柔性印刷电子的最有效方法。纯的有机半导体材料性能单一,应用范围较窄,为了开发材料的新性能,满足各个方面的应用,与绝缘物共混的方法因易操作,低成本等优点被广泛使用。目前,溶液共混绝缘物的研究中主要使用的是聚噻吩类第二代有机半导体材料,第三代高性能D-A型共轭聚合物在共混体系中的相行为尚不明确,限制了这类材料的应用范围。本论文研究了D-A型半导体PBIBDF-BT与不同绝缘物共混中的相行为,以及制备的器件性能和传感特性,主要内容与工作如下:
  (1)研究了D-A型半导体PBIBDF-BT与不同绝缘物共混中的相行为和对器件性能的影响。原子力显微镜的表征结果证明:PBIBDF-BT可以与高分子量的聚苯乙烯(PS,Mn=140000g/mol)共混制备出超薄的半导体膜,与低分子量的聚己二酸丁二醇酯(PBA,Mn=2000g/mol)共混制备出多孔的半导体膜。器件性能测试结果发现:与PS的共混体系中,半导体浓度在2mg/mL以下时,器件的空穴性能随半导体浓度的增加而增加,与PBA的共混体系中,器件空穴和电子性能随PBA含量的增加先增加后降低。
  (2)研究了环状小分子BNCAB对双极型半导体PBIBDF-BT器件性能和环境稳定性的影响。器件性能测试发现:随着小分子BNCAB含量的增加,器件电子迁移率先增加后减小,器件开关比逐渐增大。BNCAB含量为10wt%时,器件表现出最高的电子迁移率(0.12cm2V-1s-1)和最大的开关比(106),同时器件的环境稳定性也得到增强。原子力显微镜表征结果发现:BNCAB含量为10wt%时,小分子与半导体相分离形成分层的效果。通过GIXRD和UPS两种表征手段,解释了双极型半导体器件电子性能增强,且环境稳定性增加的机理是共混膜中超薄的小分子层覆盖作用。
  (3)研究了多孔有源层OTFTs的传感特性以及有源层孔径与器件传感性能之间的关系。共混法制备出多孔有源层器件,软件分析有源层孔径的结果表明:共混物PBA含量从0wt%变化到50wt%,有源层孔径从0nm增加到154nm。相对湿度传感测试结果表明:多孔有源层孔径越大,传感器对相对湿度的响应越大,响应速度越快。多孔的结构让气体分子更容易扩散进入电荷传输层,从而得到高灵敏度(Ioff/Ion=415)和快速响应(Tres=0.68s)的OTFTs型湿度传感器。
[硕士论文] 汪东
材料工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:有机薄膜晶体管(OTFTs)由于有着成本低廉、能够实现大面积溶液加工生产以及可制作成柔性器件等优势,而倍受人们的关注,并在显示等行业有着潜在的应用。然而目前可应用于OTFT的半导体材料中,绝大部分共轭聚合物都是空穴传输材料,而电子传输材料无论在种类、数量以及性能方面都还大大落后于空穴传输材料。所以,如何设计并制备出电子传输型的有机半导体材料,对OTFT相关的研究有重大意义。本论文主要设计并制备了两类异靛蓝衍生物结构的D-A共轭聚合物并系统研究了其相关性能,两类聚合物均具有低能级与低能带隙并且其器件呈现电子传输特性,主要的内容如下:
  1.在第二章中,采用Stille交叉偶联反应,合成了基于噻吩-氰基乙烯-噻吩(TCNT)和异靛蓝衍生物(BDID)结构的一种新型的低能带隙给体-受体共轭聚合物PBDID-TCNT。该聚合物具有优异的热稳定性,宽的吸收光谱,低的LUMO(-3.97eV)以及低的HOMO(-5.73eV)。以聚合物为半导体层的有机薄膜晶体管器件展现出电子传输特性,电子迁移率达到0.11cm2V-1s-1,同时具有2.4×105的开关比。
  2.第三章中,为了获得性能更优的有机半导体材料,在第二章基础上,选用了氮杂的异靛蓝衍生物NBDID,合成了基于TCNT和NBDID结构的一种新型的低能带隙的给体-受体共轭聚合物PNBDID-TCNT。由于使用吡啶环代替苯环,缺电子能力更强,同时平面性也得以提升,聚合物性能更好。该聚合物具有更为优异的热稳定性,宽的吸收光谱,并且LUMO和HOMO更低,分别为-4.15eV和-5.88eV。以聚合物为半导体层的有机薄膜晶体管器件展现出电子传输特性,电子迁移率达到0.74cm2V1s-1,同时开关比超过106。
[硕士论文] 戴艳荣
材料学 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,可溶液加工的共轭聚合物在轻质、低成本和大面积柔性电子器件等方面有很高的应用价值,因此引起了广泛的研究关注。在基于这些共轭聚合物的器件中,有机场效应晶体管(organic field effect transistor,OFETs)作为电路构建的组件以及用于有源矩阵显示器和非易失性存储器等器件中具有特殊意义。为了提升器件性能,已经有很多共轭聚合物半导体材料被研究报道出来,其中p型半导体材料的研究已经取得突破性进展,相比之下,n型半导体材料的发展要滞后很多,而n型半导体材料是构筑互补晶体管逻辑电路的重要组成部分,因此研究稳定的n型半导体材料是很有必要的。为了得到高性能n型聚合物半导体,目前的主要研究方向是构建新的缺电子受体单元。本文用吡啶环代替双(2-氧代二氢吲哚-3-亚基)-苯并二呋喃-二酮(BIBDF)的外侧苯环构建一种新型的缺电子单元(3E,7E)-3,7-双(6-溴-1-(4-癸基十四烷基)-2-氧代-7-氮杂吲哚-3-亚基)苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃-2,6(3H,7H)-二酮(BABDF),基于此单元合成了三种新的n型D-A共轭聚合物PBABDF-DT、PBABDF-TVT和PBABDF-nonTVT,并进一步研究了三种聚合物的热性能、光物理特性、电化学性质、场效应性能和微观结构。具体工作如下:
  (1)第二章中,使用强缺电子单元BABDF作为受体,以联噻吩(DT)和(E)-2-(2-(噻吩-2-基)乙烯基)噻吩(TVT)作为供体合成了两种供体-受体(D-A)型共轭聚合物PBABDF-DT和PBABDF-TVT。两种聚合物都具有较深的LUMO能级(~-4.0eV)以适合电子传输。基于PBABDF-DT和PBABDF-TVT的OFET器件的电子迁移率分别高达1.86cm2V-1s-1和1.56cm2V-1s-1,电流开关比(Ion/Ioff)分别为1.6×106和1.0×106。两种材料都具有高度均匀的聚合物纳米纤维、有序的层状晶体结构和紧密的π-π堆积,这些都有助于提高电子迁移率。
  (2)第三章中,为了实现更高的电子迁移率,在第二章的基础上,选取π-π堆积距离较小的PBABDF-TVT研究去除烷基侧链对性能的影响。将其供体单元上的十二烷基链去除,以强缺电子单元BABDF为受体,以无烷基链的(E)-2-(2-(噻吩-2-基)乙烯基)噻吩(nonTVT)作为供体,合成了一种D-A型共轭聚合物PBABDF-nonTVT。根据高斯B3LYP/6-31G(d)模拟结果,PBABDF-nonTVT主链的扭转角为0.01°,比PBABDF-TVT主链的9.4°明显小,骨架共平面性得到明显改善。聚合物LUMO能级(~-4.0eV)也较深,基于PBABDF-nonTVT的OFET器件的电子迁移率和电流开关比(Ion/Ioff)分别为2.42cm2V-1s-1和2.4×104,比第二章PBABDF-DT和PBABDF-TVT的迁移率都更高。这是因为较小的主链扭转角使其具有更均匀的聚合物纳米纤维、更有序的层状晶体结构和更紧密的π-π堆积,这些都有助于进一步提高电子迁移率。
[硕士论文] 杨木
流体机械及工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:真空多弧离子镀是目前应用广泛的表面处理技术之一。其环境友好,所镀薄膜综合性能优异。但镀膜过程中产生的大颗粒污染影响会薄膜表面质量和性能,严重制约了其在半导体行业等高性能薄膜制备中的应用。实际应用中,为限制大颗粒污染,采取了各种技术措施,磁过滤装置便是其中之一。
  本文基于COMSOL Multiphys(1)cs53有限元仿真软件,针对不同类型磁过滤装置的工艺参数和传输情况,提出一种可辅助装置结构设计和参数调试的有限元仿真方法。通过建立45°、60°和90°弯管磁过滤装置的仿真模型,分析了磁场分布和带电粒子与大颗粒的传输情况,研究了线圈电流(磁场强度)、弯管偏压、机械挡板孔径、带电粒子入射角度等因素对装置传输效率的影响;采用所设计制作的90°弯管磁过滤装置上进行了四面体非晶碳(tetrahedral amorphous carbon,ta-C)薄膜制备实验,对仿真结果进行了验证,同时研究了线圈电流、挡板孔径及电弧源电流对薄膜大颗粒分布的影响,以及薄膜的综合性能,获得了以下结论:
  (1)通过调整磁过滤装置的线圈电流可对磁场强度进行有效控制,弯管中带电粒子的运动遵循拉莫尔旋进,大颗粒则会与装置内壁碰撞而被滤除;
  (2)靶材离子在弯管中的传输效率随线圈电流的增大而提高,较大的线圈电流使大颗粒数量增多;弯管偏压在11~16V时,靶材离子传输效率比不加偏压时提高约75~80%;
  (3)机械挡板孔径越大,靶材离子传输效率越高,但大颗粒污染严重;孔径越小,传输效率相对越低,但大颗粒滤除效果较好;增大电弧源电流,大颗粒数量和尺寸均呈增大趋势;
  (4)实验结果证明所用仿真方法具有较好的可行性,可用于各种类型磁过滤装置的设计与工艺优化;
  (5)在优化工艺参数下制备的ta-C薄膜,其sp3键含量高,达到60%,粗糙度、硬度等综合性能优异,颗粒平均数量不超过135个/μm2,颗粒平均直径不超过027μm,且工艺稳定。
[硕士论文] 许明明
检测技术与自动化装置 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件相比于传统Si器件,具有高击穿电压、高饱和漂移速度、高工作频率以及高工作结温等优点,可以大幅改善电力电子系统的性能。本文以SiC MOSFET为研究对象,研究电路中寄生参数对其开关过程的影响。SiC MOSFET的开关速度极快,寄生参数对其开关特性的影响远比传统Si器件要明显,在实际工程应用中,通过建模进行前期优化设计是很有必要的。
  在大量调研功率半导体的器件模型后,本文选择建立SiC MOSFET的数学模型,并用所建立的模型来分析SiC MOSFET的开关特性。首先,本文在对SiC MOSFET开关电路进行深入分析后,得到其开关过程各阶段的电压电流方程,通过数学方程时域求解,得到各阶段电压电流表达式,从而建立了一阶数学模型,这个模型可以对器件开关过程波形进行一定程度上的模拟,让我们可以快速的了解一个新器件的开关特性。然后,在一阶数学模型的基础上,通过对器件寄生电容和跨导的非线性表达以及采用数学迭代法求解高阶矩阵方程的方式,建立了更为精确的高阶数学模型,可以高度模拟器件的真实开关过程。
  在对高阶数学模型进行SPICE模型仿真和双脉冲测试实验双重验证后,证明了其对器件开关过程模拟的精确度。然后基于高阶数学模型,针对包括器件寄生电容在内的寄生参数对器件开关过程的影响进行了深入分析,并指出了相应的实际工程应用中的优化设计方法。
[硕士论文] 刘宇
材料学 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:D-A型共轭聚合物是一类理想的应用于有机场效应晶体管的半导体材料,由于其具有多样的分子设计、易于调控的能级、可大面积溶液成膜等优点,获得广泛的关注。异靛蓝及其衍生物分子骨架具有较好的平面性,作为受体单元合成的D-A型共轭聚合物具有良好溶解性及场效应性能,是现在研究较为深入的结构单元之一。且与不同的给体合成聚合物可以调控分子的能级,实现不同传输类型。本论文设计合成了以氮杂异靛蓝衍生物作为受体单元的多个聚合物,并对其热稳定性、光学性能、电化学性能、场效应性能做了一系列研究,主要内容与实验结果如下:
  (1)从异靛蓝(IID)和苯并二吡咯二酮(BDP)单元出发,将IID的C=C双键的地方接入BDP单元,引入吡啶基替换IID上的苯环,合成了一个全新的受体单元氮杂异靛蓝类衍生物(BABDP),延长了有效共轭长度,降低了聚合物的LUMO能级。其次在BDP的N烷基链位点处接入支链烷基链,增加了聚合物的溶解性。并以并噻吩锡(TT)和乙烯基噻吩锡(TVT)为给电子体,获得了窄带隙的P1和P2两种聚合物,光学带隙分别为1.26eV和1.23eV。场效应性能测试表明:P1和P2在空气中和真空腔室中均表现为双极型传输特性,P1的最高空穴和电子迁移率分别为6.67×10-2cm2V-1s-1和1.81×10-1cm2V-1s-1;P2的最高空穴和电子迁移率分别为1.97×10-1cm2V-1s-1和1.74×10-1cm2V-1s-1。
  (2)通过选择带有电负性的给体单元3,3'-二氟联噻吩锡(2FBT)和氰基乙烯基噻吩锡(TCNT),制备了P3和P4两种聚合物,研究了给-受体共轭聚合物中给体单元对聚合物HOMO和LUMO能级的影响。循环伏安法测试结果表明:P3和P4的HOMO和LUMO能级均有所降低,且其LUMO能级均低于-4eV。以P3和P4为有源层制备的有机场效应晶体管器件在真空环境下表现出电子传输特性(n-channel),P3和P4的最大电子迁移率分别为7.81×10-2cm2V-1s-1和4.66×10-2cm2V-1s-1。
[硕士论文] 张坦
化学工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:水凝胶是一种具有三维网络结构的软性材料,具有很多优异的性能,如高含水率、生物相容性、吸水保水能力强、可塑性高等特点,因此在生物组织工程、传感器、商业等领域都得到广泛的应用。为了使水凝胶的应用更加广阔,近年来,越来越多的研究将水凝胶功能化,比如导电水凝胶、可注射水凝胶、自愈合水凝胶等。但现阶段功能化水凝胶的发展被局限在两个方面:1、传统物理化学方法交联形成的水凝胶机械性能较差,在外力作用下易发生结构破坏导致凝胶的安全性较低。2、水凝胶功能化的难度较大或者功能化程度较低。因此,制备和设计出一种高机械性能和高功能化兼具的水凝胶具有重大的研究意义和良好的应用前景。基于此,在本论文中,我们分两大部分研究提升凝胶机械性能和功能化的方法,第一部分是通过在水凝胶中引入动态配位键,使水凝胶兼具高机械性能和快速高效愈合能力.第二部分在凝胶具有高强度和快速自愈合的基础上调节水凝胶的结构,使凝胶具有优异的各向异性性能。具体研究结论如下:
  1、通过在粒径20nm左右的单分散金颗粒溶液中引入含双键和巯基的有机物N,N-双(丙烯酰)胱胺,随后以修饰后的金颗粒作为交联剂,N-异丙基丙烯酰胺作为温敏性单体、过硫酸钾作为引发剂在一定条件下合成金颗粒纳米复合水凝胶。其具有均匀的网络结构,使其应力达到1MPa,应变可达到24。另一方面,因为金颗粒具有优异的光热性能,在激光(808nm)照射下,凝胶内部的配位作用力会发生动态交换,使凝胶在1min的时间愈合度达到96%。
  2、使用同样具有光热性能的银颗粒与巯基形成配位键,以修饰后的银颗粒作为交联剂,丙烯酰胺为单体,在紫外条件下照射引发聚合,形成银颗粒纳米复合水凝胶。由于Ag-SR键既能在激光条件下又能在酸碱环境调控下发生动态交换,因此该水凝胶具有双重诱导自愈合的性能。同时利用银颗粒在巯基化合物修饰后可在紫外光照射下的自组装现象,诱导凝胶的内部结构变为层状结构,使凝胶具有优异的各向异性性能。随后我们对凝胶的各向异性机械性能比、双重自愈合及愈合条件、各向异性溶胀率等进行了一系列探究。
[博士论文] 许瑞林
电子科学与技术;物理电子学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:凭借荧光可调等特点,胶状半导体量子点在探测、显示和照明等领域有着广泛的应用前景。本论文工作基于光稳定性和荧光量子产率的提高,主要研究了量子点的厚壳层快速制备与掺锰Ⅰ型和Ⅱ型量子点的光学性质。
  量子点的光稳定性可采用无机宽禁带材料的厚壳层包覆来提高。通过优化配体和前驱体浓度等因素可以在6分钟内实现ZnS厚壳层(~20个分子层)的“flash”快速制备,并探讨了快速制备的机理。进一步优化的“flash”快速制备有利于获得更窄的尺寸分布、更高的荧光量子产率和尺寸限制的突破。厚壳层的快速制备既能提高量子点的光稳定性,又有利于降低其制备成本;从而有利于量子点的工业化应用。
  对于一锅法生长掺杂与“flash”快速制备的组合策略,为避免Mn2+离子的过度扩散,注入温度和生长温度分别降低至340℃和315℃,厚壳层掺锰CdS/ZnS量子点(~14个ZnS分子层)的荧光量子产率可从25%提高至36%。进一步地,实施了热注入法成核掺杂与优化“flash”快速制备的优化组合策略;所制备厚壳层掺锰CdS/ZnS量子点(~18个ZnS分子层)具有高的荧光量子产率(达40%),且展现了可应用的高光稳定性(直接封装在紫光LED芯片表面进行测试)。
  在Ⅱ型量子点中,热激子冷却和冷激子辐射复合均比较慢,从而激子容易遭受陷阱中心的俘获;这大大降低了Ⅱ型量子点的荧光量子产率。因此,Mn2+离子被引作激子耦合器来增强Ⅱ型CdS/ZnSe/ZnS量子点(荧光寿命的时间尺度:~100纳秒)的激子发射(荧光量子产率可从~35%增至~60%)。瞬态吸收光谱和瞬态荧光光谱揭示了荧光增强来自于两个耦合:1、热激子向Mn2+离子的快速能量转移(~220皮秒),2、冷激子与Mn2+离子之间的双向强耦合。
[博士论文] Amina Zafar
物理学;凝聚态物理 东南大学 2017(学位年度)
摘要:过渡金属硫属化合物(TMD)以其丰富多样的光学和电学特性为光电应用提供了无限可能。原子级别厚度的TMD具有覆盖可见到近红外范围的卓越光吸收和光发射能力,有望应用于光电器件,譬如光电探测器,光伏器件和光发射器件等等。化学气相沉积(CVD)是一种行之有效的大规模生产高品质TMD单晶以及薄膜的方法。在本论文中,我们研究了TMD材料的CVD可控成长技术,包括层数控制、形貌控制以及单晶尺寸控制。我们还通过光谱学方法分析了MoS2,WS2,ReS2等CVD样品的质量,并研究缺陷对样品光电性质的影响。
  首先,本文通过改变引入CVD系统的硫(S)蒸气的总量和前置反应时间来生长出可控的单层、双层以及多层单晶WS2,从而实现最佳参数的调控以用于生长具有可控形状、尺寸以及厚度的WS2单晶。此外,基于层数变化的WS2场效应管迁移率,和具有优异光响应的三层WS2纳米片的高性能光电晶体管也进一步展示了本文的生长方法在TMD光电器件中的潜在应用前景。
  其次,提出了一种用于评估CVD生长MoS2样品质量的光谱学方法。通过低温缺陷诱导的束缚态激子发射,建立了晶体尺寸和生长温度与CVD生长MoS2单晶中的结构缺陷数量的关系。除此之外,我们的研究结果也表明CVD生长MoS2的结构缺陷不仅影响其光学质量,还会影响其电学性能。这种方法亦适用于评估MoS2之外的其他TMD材料的质量。
  最后,本论文报道了具有相同晶格对称性(WS2-MoS2)和不同晶格对称性(ReS2-MoS2)的面内异质结构的可扩展两步气相生长方法。本文使用拉曼散射和光致发光光谱来验证横向异质结的形成。研究表明该异质结构是p-n结,具有应用于新型光电器件的潜力。
  本论文报道的基于TMD的工作不仅为进一步合成其他TMD和异质结构提供了研究基础,同时也有助于二维半导体的光学和电学性质研究及其在电子和光电领域的应用。
[博士论文] 成宏卜
材料学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:钙钛矿型(ABO3)铁电薄膜是电子工业中重要的功能型器件的原材料来源之一,其优异的铁电、压电、热释电等特性衍生出来各种驱动器与传感器,如:存储器、RF-MEMS开关、超声马达和红外探测器等。能够实现来自外界的机械刺激与电能之间的转换或利用电能实现相应的机械响应与控制。铁电薄膜的这些特点使得其在大数据、移动计算、自动化控制等多个核心与新兴领域的应用前景愈发广阔。
  目前微电子工业中常用的铁电薄膜基电子器件大多为单一成分的多晶结构,其自身的剩余极化强度小、电学性能差,无法体现薄膜小型化、易集成的优势,严重制约了ABO3型铁电薄膜在微电子工业的广泛应用。铁电薄膜的电学性能具有显著的各项异性,制备择优取向甚至外延ABO3型铁电薄膜,并在薄膜生长过程中对其进行应力调控和相调控,观察其微观结构在应力与电场作用下的演变过程,研究其微观结构对电学性能的影响。这些研究对ABO3型铁电薄膜在理论与实际应用方面均具有十分重要的意义与价值。
  在实验研究方面,本文选用钛酸盐系钙钛矿铁电材料,利用多靶射频磁控溅射制备技术沉积取向生长/外延铁电薄膜,研究薄膜中相结构与畴结构的演变规律,揭示其微观结构与电学性能之间的关系。本文具体研究内容如下:
  (1)基于弹性畴理论分析晶格失配带来异相多畴形成过程。在不同基体上制备外延BZT铁电薄膜,分别利用XRD、TEM、SHG和AFM等技术观察并分析薄膜中异相多畴结构的特征与演变过程,并将其与理论分析的结果一一印证。采用不同的电学测试平台分别表征其铁电、介电性能随温度、频率、偏压电场的变化规律。结构分析与电学性能测试结果表明:T/R异相畴与R相高阶畴的形成不仅促进了BZT薄膜储能密度的提高,而且对其储能效率的提升也有很大的贡献。
  (2)利用双靶射频磁控共溅射技术在Pt/Ti/Si上生长单轴组分梯度变化的(1-x)BaTiO3-xBaSnO3(BT-xBS,0≤x≤0.20)钙钛矿薄膜,薄膜为(101)-取向生长且电机械性能随组分的变化而发生改变。组分在x=0.028时,薄膜的相对介电常数存在极大值(925),在此组分附近其横向压电系数也存在极大值并在1.5C/cm2-1.9C/cm2之间变化,此横向压电系数与外延(001)取向的钛酸钡薄膜相比,约为其三倍左右。该结果表明BT-xBS薄膜作为压电MEMS器件的无铅化替代品有着很好的前景。
  (3)选取(100)-MgO基体,以Pt/SRO为底电极,制备外延Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜。采用“小信号”e31,f测试方法记录90°与180°畴的动态反转过程。在这种“小信号”e31,f的测试过程中,偏压电场下横向压电响应的演变过程对应畴翻转过程的变化。此外,非对称的e31,f-V曲线表明在薄膜内部存在一个很大的内建电场;在标准的铁电电滞回线测试中也证实内建电场的存在。最后在压电悬臂梁样品上施加一系列的直流偏压(分别从0V到±30V)电场,并对其做常规X射线的2θ-扫描;该XRD衍射结果与此前e31,f测试揭示的畴反转过程基本一致。
[硕士论文] 全琳
凝聚态物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:硒化镓,作为Ⅲ-Ⅵ族硫属化合物中的一员,具有独特的四层Se-Ga-Ga-Se结构。当硒化镓晶体层数逐渐减小时,其电子能带带隙逐渐增大。硒化镓薄片层数少于7层时,它从直接带隙半导体转变成间接带隙半导体。由于其独特的电子结构,硒化镓晶体可以实现太赫兹波段的功率输出,在光电子器件、非线性光学等领域具有广泛的应用前景。
  硒化镓材料表面因具有原子级平整,以及非极性特性,可以作为研究表面增强拉曼中化学增强机制的理想材料。此外以硒化镓薄片为基础制备的场效应晶体管,在输运性质上有很大的提升空间。本论文从硒化镓薄片的制备出发,研究了硒化镓薄片的表面拉曼增强效应和场效应特性,共有四章内容,简介如下:
  第一章为绪论。我们介绍了硒化镓的发展历史、常用的制备方法、结构、基本性质以及应用的发展前景。其次,我们简单介绍了表面拉曼增强和场效应晶体管的基本原理以及发展趋势。最后概述了研究工作的选题背景和科学意义。
  第二章研究了硒化镓薄片的表面增强拉曼光谱。我们利用机械剥离制备的硒化镓薄片,将其作为测量分子拉曼信号的衬底,研究其表面拉曼增强效应。通过拉曼表征发现,被探测分子在单层硒化镓衬底上的拉曼信号最强,并且其拉曼增强效应还随着其层数的增加而减弱。通过研究被探测分子的厚度与拉曼信号强度的关系,发现存在首层效应(first-layer effect)现象。结合此结果与沉积分子后的硒化镓PL峰淬灭的现象,我们将硒化镓的表面拉曼化学增强机理归因于分子与衬底间产生的电荷转移。
  第三章侧重展示对硒化镓薄片迁移率的改善研究。我们采用shadow mask方法制备了硒化镓场效应晶体管,研究其输运性质。根据硒化镓的能带结构以及不同金属的功函数,我们选用金属钯作为金属电极,减小金属-半导体界面接触电阻,提高硒化镓FET电学性质。再通过对器件退火,机械剥离残留的胶带杂质可以得到有效消除,改善了金属与硒化镓接触问题。通过实验还发现,退火有利于解决硒化镓FET的退化问题,在一定程度上恢复器件性能。我们还采用PMMA/SiO2作为衬底,以期抑制界面散射,提高载器件流子迁移率。
  第四章对硒化镓研究中的一些挑战和发展趋势进行了一些展望。
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