化学所在有机场效应晶体管研究方面取得系列进展

2011-1-11 14:02 来源: 中国科学院
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  有机场效应晶体管(OFET)由于在大面积、低成本和柔性化有机电子产品方面的潜在应用前景而备受学术界和工业界的关注,成为有机电子学中的研究前沿领域之一。目前,尽管OFET的性能已经初步满足实用化要求,但仍然存在性能低、稳定性差和与有机电子学相配套的低成本溶液法加工技术亟待开发等问题,这些问题大大限制了OFET及相关有机电路的实际应用。

  在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的支持下,化学研究所有机固体院重点实验室的研究人员一直致力于有机场效应晶体管的功能材料和器件方面的研究,取得了一些新进展,这些结果引起了国际学术界的关注,英国《化学会评论》和德国《先进材料》分别发表了他们的综述。

  溶液法制备的OFET具有制备工艺简单和低成本的独特优势,他们针对聚合物OFET的特点,开发了溶剂辅助退火的方法,在聚合物半导体层表面引入少量溶剂后二次退火,大大提高了聚合物半导体层的分子排列规整性,从而大幅提高了器件性能(图1)。该方法还可以在半导体薄膜上直接引入各种功能层或保护层,实现顶栅OFET的制备或器件的有效封装,为OFET的制备和封装提供了新思路。研究表明,此方法适用于多种聚合物OFET,具有较好的普适性。有关结果发表在Adv. Mater., 2010, 22, 1273-1277上。

  顶栅结构器件是改善器件稳定性的途径之一,研究人员开发了新的顶栅结构器件制备技术,主要包括自支撑(self-supporting)绝缘层的制备,以及自支撑绝缘层与半导体层之间自发的干法层合(图2)。由于避免了任何可能的溶剂侵蚀以及对界面的破坏,采用这种方法得到的顶栅器件具备很好的场效应性能。有关工作已申请中国发明专利,相关论文发表在Adv. Mater., 2010, 22, 3537-3541上。

  有机半导体的主体结构是具有p结构的共轭体系,目前分子结构与性能之间的关系尚在探索中,还没有行之有效的设计原则。研究人员经过多年的摸索和不断总结,对分子结构、凝聚态结构对器件性能影响及器件的优化有了一些认识,这些结果得到学术界同行的认可,英国皇家化学会Chemical Society Reviews发表了题为p-Conjugated molecules with fused rings for organic field-effect transistors: design, synthesis and applications 的评论文章,系统地介绍了该小组近几年来在稠环p共轭分子的设计、合成和在有机场效应晶体管中的应用(图3)。

  相对于p-型有机半导体而言,n-型有机半导体还存在迁移率低和稳定性差的缺点,研究人员结合他们自己的研究结果,总结了最近5年n-型半导体在性能和分子设计上的发展,分析了目前阻碍n-型场效应晶体管研究发展的因素,重点从晶体管的结构与组成,分子设计和薄膜生长条件等方面,提出了解决方法以期突破n-型场效应晶体管目前研究的瓶颈。论文以Progress Report的形式发表在Adv. Mater., 2010, 22, 1331-1345上。

  功能性有机场效应晶体管将扩展OFET应用领域,有机固体院重点实验室研究人员在这方面做了深入的研究,制备了高性能的有机薄膜,单晶的光晶体管器件以及多比特存储的有机场效应晶体管存储器件(Appl. Phys. Lett., 2009, 94, 143303; Adv. Funct. Mater., 2010, 20, 1019-1024; Adv. Mater., 2009, 21, 1954-1959)。最近,他们应《先进材料》杂志邀请撰写了综述性论文Functional Organic Field-Effect Transistors,并以内封面(图4)的形式发表(Adv. Mater. 2010, 22, 4427-4447)。

  

  图1. 聚合物OFET溶剂辅助退火前后性能对照图

   

  图2. 由自支撑绝缘层制备顶栅结构的有机场效应晶体管示意图

   

  图3. 稠环p共轭分子的设计、合成和在有机场效应晶体管中的应用

  

  图4. 《先进材料》内封面