5197. com 2

化学与分子工程学院裴坚-王婕妤课题组在N型有机半导体研究中取得重要进展

有机场效应晶体管是有机电路的基本构筑基元,在驱动显示,柔性、可印刷大面积电子学,可穿戴电子等方面具有重要应用前景。高性能有机场效应晶体管器件的构筑是推动实现其真正应用的重要研究目标。

场效应晶体管是半导体器件的重要元件之一,被广泛地用于计算机、通信和信息技术之中。有机场效应晶体管具有低成本、轻便、柔性等特点,并且可以采用溶液加工,在逻辑电路、显示器件和射频电子标签等领域具有巨大的潜在应用价值。同时,场效应晶体管也为研究有机光电材料的构效关系以及有机光电材料内部电荷传输机制提供了一个很好的器件平台,这些科学问题的研究对于其他光电器件,如有机电致发光二极管和太阳能电池也具有重要的意义。

化学与分子工程学院裴坚-王婕妤课题组在N型有机半导体研究中取得重要进展。在中科院先导项目和国家自然科学基金委支持下,中科院化学所有机固体院重点实验室科研人员近年来围绕高性能分子材料设计合成,分子聚集态结构调控,器件结构优化和界面调控等方面开展了长期研究工作,发展了系列高迁移率分子材料体系,实现了高质量有机高分子晶体聚集态的制备,获得了高性能有机场效应晶体管器件的构筑,许多器件的载流子迁移率超过了10
cm2 V-1s-1,最高可达42.7 cm2 V-1s-1(***Adv. Mater.*** 2013, *25*, 6158; ***Nat. Commun*.** 2015, *6*, 10032; ***Acc. Chem. Res.*** 2016, *49*, 2435; ***Adv. Mater.*** 2016, *28*, 4513; ***Adv. Mater.*** 2016, *28*, 3755; ***Adv. Mater.*** 2017, *29*, 1701251; ***Adv. Mater.*** 2018, *30*, 1801048; ***J. Am. Chem. Soc.*** 2017, *139*, 17261; ***Adv. Mater.*** 2018, *30*, 1803655)。

5197. com 1

5197. com,最近,在前期研究基础上,针对有机电子学器件和光子学器件难以集成的难题,科研人员进一步利用有机场效应晶体管器件特有的信号放大和开关特性,同时结合有机高分子单晶兼具场效应和光波导特性,提出了一种新型有机场效应波导器件的设计思想,希望通过光电子微观层面的相互作用,实现二者的相互调制及集成。为了验证这一思想,科研人员首先以课题组前期发展的氯代吲哚[3,2-b]咔唑分子有机半导体分子为例,通过多金膜掩模方法,构筑了基于CHICZ单晶的有机场效应波导器件,系统研究了在沟道电荷传输平行和垂直波导传输方向的电场对材料光波导性能的影响,证实栅极调控作用对晶体中光波导传输特性的有效调制,在平行和垂直方向获得了分别高达70%和50%的调控幅度。同时,以入射激光作为场效应晶体管的另一个调控变量,实现了光信号传输对于晶体管电荷传输性能的调控,调控开关比达14800。这一研究结果证实了微观层面有机半导体材料中的光电相互调制行为,可进一步拓展到更多其他有机高分子共轭材料体系,为有机光电子器件的有效集成提供了一种新思路。相关研究工作近期发表在Nat.
Commun.
2018, 9, 4970, DOI: 10.1038/s41467-018-07269-9.

 

5197. com 2

具有高电子迁移率的单晶场效应晶体管材料的开发

有机场效应波导器件

近年来,大量缺电子的片段被应用于有机场效应晶体管的研究中,并实现了在空气下高的空穴迁移率和在氮气下高的电子迁移率。然而在空气下电子迁移率超过1
cm2 V−1 s−1的有机材料却极少报道,严重阻碍了n-型材料的进一步应用。因此,开发新型的缺电子骨架以实现空气稳定的电子传输性能是有机场效应晶体管材料的研究难点。在本工作中,裴坚-王婕妤课题组在他们此前设计开发的BDOPV(北大OPV)分子共轭骨架上引入氟原子,进一步降低分子的LUMO能级,从而提高材料的空气稳定性并改善载流子注入。同时,氟原子的引入使得分子在单晶中表现出少见的反平行共面排列。得益于这种有效的共轭堆积模式,在单晶中F4-BDOPV的电子转移积分达到了201 meV,为目前报道的最高的转移积分值。随后,课题组将F4-BDOPV的微米线加工成场效应晶体管器件,在空气下其电子迁移率达到了12.6 cm2V−1s−1,且空气下非常稳定,这一结果是目前有机半导体材料电子迁移率的最高值,该项工作近期发表于*Advanced Materials* 2015,*27*, 8051-8055,同时被选为当期底封面文章(如上图所示)。

有机固体院重点实验室

5197. com 3

2018年12月5日

 

小分子单晶场效应晶体管中的结构与性能关系研究

结构与性能的关系是材料科学的研究核心。有机半导体中的载流子传输与其分子排列密切相关,然而影响有机小分子晶体排列的因素很多且非常复杂,使得合理地调控其分子排列以及对结构与性能关系的研究变得尤为困难。在本工作中,研究人员在共轭骨架的不同位置引入不同数目的氟原子,成功获得并解析了五个晶体的单晶结构。这一系列化合物的单晶排列随分子偶极矩与静电势的改变而逐渐发生变化,并且其器件性能以及转移积分的计算结果也随其单晶排列不同而不同,五个晶体在空气中的电子迁移率均超过2
cm2V−1s−1,最高超过10 cm2V−1s−1(如上图所示)。该项工作近期发表于*Journal of the American Chemical Society* 2015,*137*, 15947-15956。

5197. com 4

 

通过对分子间弱相互作用力的调控来设计合成材料

这一系列工作运用超分子化学的思想和方法,通过对分子间弱相互作用力的调控来设计合成有机光电功能材料、研究器件性能,并探索其结构和性能的关系。此外,研究组进一步利用研究得到的结构和性能的关系,设计合成新的材料体系,并最终实现了高性能材料体系的开发。该系列工作不仅具有实际应用价值,而且对理解载流子在有机材料中的迁移过程具有重要的理论意义。

博士研究生窦锦虎是Advanced
Materials
文章的第一作者。博士研究生窦锦虎、郑雨晴是Journal of the
American Chemical
Society
文章的并列第一作者,中科院化学研究所易院平课题组参与了该系列研究的理论计算工作。相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委和上海光源的资助与支持。

文章链接: