有机固体微纳晶材料与器件领域取得系列进展

有机固体的晶体通常较小，多数以不规整的微纳晶形式存在。因此，如果能在微纳晶的基础上直接构筑器件，不仅能免除晶体生长的挑战，实现对材料的高效表征，同时也必将促使有机晶体与器件的融合，推动其应用。

三苯胺是一种典型的空穴传输型材料，因为分子内存在较强的转动，导致其通常形成无定形薄膜，因此三苯胺类材料又称为分子玻璃。研究人员发现，环三苯胺二聚体能有效阻止分子内的转动，形成大pi共轭结构，从而能有效堆积组装成有机单晶纳米带，这种单晶结构大大改善了材料的载流子传输性能，其载流子迁移率由分子玻璃的10-4-10-5 cm2/Vs上升为0.05 cm2/Vs左右。这一研究，为高迁移率分子材料的合成和高性能分子器件的制备提供了重要的指导(Adv. Mater. 2009, 21, 1605-1608)。
图1 环三苯胺二聚体有机微纳晶的研究

晶体的各向异性，是分子材料的本征性能之一。但有机晶体多数以微纳晶的形式存在，因而其各向异性的研究一直是个挑战性的课题。针对这一挑战性课题，研究人员控制合成了一种并五苯类似物的六角状微纳单晶，采用单个六角微晶，利用有机纳米线模板法，在单个微晶上分别构筑了4个和6个电极，利用单个微纳晶成功实现了各向异性传输特性的研究，获得了晶体沿不同晶面、不同晶向传输的迁移率，其沿c轴的迁移率最高达1.8 cm2V-1s-1 ，开关比>107，各向异性比在2－2.5。结果证实：分子堆积越紧密、分子间作用力越强，迁移率越高。相关结果为分子材料的调控合成提供了直接的实验依据(Adv. Mater. 2009, 21, 4492-4495)。
图2 有机微纳晶的各向异性研究

此外，他们还控制合成了一种新型蒽化合物，二苯乙烯蒽的微纳单晶，采用有机单晶微纳线模板法制备了其高性能的场效应晶体管，其最高迁移率达到4.3 cm2V-1s-1。利用这种高性能微纳单晶场效应晶体管制备了高性能的反相器，其最大增益达到80。最后，研究了单晶的传输特性表现出各向异性的特点，沿a轴和b轴方向的迁移率比在1.5-1.95 (μa/μb)。这项研究，为高性能单晶分子电路的研究奠定了基础。相关结果发表在Adv. Mater. 2009, 21, 3649-3653上。
图3 高性能微纳单晶场效应晶体管制备了高性能的反相器

在有机微纳晶控制合成和高性能器件研究的基础上，研究人员利用CuPc, F16CuPc 和SnO2:Sb单晶纳米线，实现了复杂纳米逻辑电路的构筑。这些电路显示出良好的稳定性、较高的响应特性和很低的功耗(<40 pW)。这种由下而上的制备单晶纳米电路的技术和良好的性能，为有机单晶在分子纳米电路中的应用打下了基础。相关结果发表在Adv. Mater. 2009, 21, 4234-4237上，并被选为当期的封面文章。

在小分子材料成功研究的基础上，他们和高分子物理与化学国家重点实验室、美国加州大学圣巴巴拉分校合作，开展了共轭高分子微纳晶的研究。通常，共轭高分子形成无序的薄膜，这导致高分子膜的迁移率较低、获取高分子本征性能、评价高分子困难。他们采取控制组装的方法，获得了聚苯乙炔高质量的单晶纳米线。首次对共轭高分子纳米线的晶态结构、分子堆积进行了解析。证实聚苯乙炔纳米线是一种正交晶系，晶格参数a,b,c分别为13.63 &Aring;, 7.62 &Aring;, 5.12 &Aring;。在纳米线内，分子链沿着纳米线的长轴方向堆积、侧链垂直基板排列。进而，他们采用纳米线模板法构筑了聚苯乙炔纳米线的场效应晶体管。晶体管的研究结果显示，其场效应迁移率在10-2 cm2/Vs，最高达到0.1 cm2/Vs，比同等条件下其薄膜的场效应迁移率搞3-4个量级。这些研究结果，为揭示共轭高分子的本征性能，构筑高性能分子纳米器件、推动其应用奠定了基础。相关结果发表在J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17315-17320上。

图4 共轭高分子微纳晶的研究