化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅(jiān)-王婕妤課題組在N型有機(jī)半導(dǎo)體研究中取得重要進(jìn)展

時間：2016-01-21 13:19  作者：  來源：北大新聞網(wǎng)

　　場效應(yīng)晶體管是半導(dǎo)體器件的重要元件之一，被廣泛地用于計(jì)算機(jī)、通信和信息技術(shù)之中。有機(jī)場效應(yīng)晶體管具有低成本、輕便、柔性等特點(diǎn)，并且可以采用溶液加 工，在邏輯電路、顯示器件和射頻電子標(biāo)簽等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價值。同時，場效應(yīng)晶體管也為研究有機(jī)光電材料的構(gòu)效關(guān)系以及有機(jī)光電材料內(nèi)部電荷傳輸 機(jī)制提供了一個很好的器件平臺，這些科學(xué)問題的研究對于其他光電器件，如有機(jī)電致發(fā)光二極管和太陽能電池也具有重要的意義。

　　近年來，大量缺電子的片段被應(yīng)用于有機(jī)場效應(yīng)晶體管的研究中，并實(shí)現(xiàn)了在空氣下高的空穴遷移率和在氮?dú)庀赂叩碾娮舆w移率。然而在空氣下電子遷移率超過1 cm² V^?1 s^?1的 有機(jī)材料卻極少報道，嚴(yán)重阻礙了n-型材料的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，開發(fā)新型的缺電子骨架以實(shí)現(xiàn)空氣穩(wěn)定的電子傳輸性能是有機(jī)場效應(yīng)晶體管材料的研究難點(diǎn)。在 本工作中，裴堅(jiān)-王婕妤課題組在他們此前設(shè)計(jì)開發(fā)的BDOPV(北大OPV)分子共軛骨架上引入氟原子，進(jìn)一步降低分子的LUMO能級，從而提高材料的空 氣穩(wěn)定性并改善載流子注入。同時，氟原子的引入使得分子在單晶中表現(xiàn)出少見的反平行共面排列。得益于這種有效的共軛堆積模式，在單晶中F₄-BDOPV的電子轉(zhuǎn)移積分達(dá)到了201 meV，為目前報道的最高的轉(zhuǎn)移積分值。隨后，課題組將F₄-BDOPV的微米線加工成場效應(yīng)晶體管器件，在空氣下其電子遷移率達(dá)到了12.6 cm²V^?1s^?1，且空氣下非常穩(wěn)定，這一結(jié)果是目前有機(jī)半導(dǎo)體材料電子遷移率的最高值，該項(xiàng)工作近期發(fā)表于Advanced Materials 2015,27, 8051-8055，同時被選為當(dāng)期底封面文章(如上圖所示)。

　　結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系是材料科學(xué)的研究核心。有機(jī)半導(dǎo)體中的載流子傳輸與其分子排列密切相關(guān)，然而影響有機(jī)小分子晶體排列的因素很多且非常復(fù)雜，使得合理地調(diào) 控其分子排列以及對結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究變得尤為困難。在本工作中，研究人員在共軛骨架的不同位置引入不同數(shù)目的氟原子，成功獲得并解析了五個晶體的單晶 結(jié)構(gòu)。這一系列化合物的單晶排列隨分子偶極矩與靜電勢的改變而逐漸發(fā)生變化，并且其器件性能以及轉(zhuǎn)移積分的計(jì)算結(jié)果也隨其單晶排列不同而不同，五個晶體在 空氣中的電子遷移率均超過2 cm²V^?1s^?1，最高超過10 cm²V^?1s^?1(如上圖所示)。該項(xiàng)工作近期發(fā)表于Journal of the American Chemical Society 2015,137, 15947-15956。