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中科院化學所在高性能有機場效應(yīng)晶體管研究方面取得重要進展
2014-07-23  來源:中國聚合物網(wǎng)

  場效應(yīng)晶體管是電子學的基本元件。有機場效應(yīng)晶體管由于其在柔性、大面積、低成本的電子紙、射頻商標和存儲器件等方面的潛在應(yīng)用而受到人們的廣泛關(guān)注,是有機半導體材料和器件研究領(lǐng)域中的重要前沿方向之一。在中國科學院(先導B)、國家自然科學基金委和科技部的大力支持下,化學所有機固體重點實驗室和相關(guān)單位合作,最近在高性能、柔性、和噴墨打印高分辨率有機場效應(yīng)晶體管的研究方面取得重要進展,有關(guān)結(jié)果均發(fā)表在Adv. Mater.上。

  低操作電壓、高遷移率柔性有機場效應(yīng)晶體管。目前, 高性能聚合物場效應(yīng)晶體管的操作電壓一般都較高(60伏左右),而且大多都制備在玻璃、硅片等剛性襯底上,這就在很大程度上限制了有機材料本該展現(xiàn)的柔性。為此,他們與中國農(nóng)業(yè)大學相關(guān)人員合作,采用高介電常數(shù)的聚乙烯醇(PVA)輔以自組裝單層膜修飾作為絕緣層,本實驗室自己設(shè)計合成的聚合物半導體材料(PDVT-10,結(jié)構(gòu)式見圖1左上)作為活性層,在柔性襯底聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)上制備出了低操作壓、高遷移率的柔性場效應(yīng)晶體管(圖1左下)。研究結(jié)果表明,晶體管的操作電壓低于3伏,遷移率高達11.0 cm2V?1 s?1。該遷移率是目前所報道的低壓柔性場效應(yīng)晶體管的最高值。同時,他們還研究了其光熱傳感性能,可望在電子眼和電子皮膚等方面獲得應(yīng)用。該研究成果發(fā)表在《先進材料》上(Adv. Mater., 2014, 26, 3631),并被選為雜志封面(圖1右)。

圖1 低操作電壓、高遷移率柔性有機場效應(yīng)晶體管

  噴墨打印技術(shù)加工亞微米溝道有機場效應(yīng)晶體管。類似于光刻技術(shù)在微電子學的作用和地位,噴墨打印技術(shù)有可能在有機電子學的發(fā)展中成為關(guān)鍵的加工技術(shù)。然而分辨能力低(50~100微米)常常被認為是制約噴墨打印技術(shù)應(yīng)用的一個瓶頸,因為場效應(yīng)晶體管的溝道長度L決定了其開關(guān)速度,源漏電流大小以及工作頻率的上限等。早在2012年,有機固體實驗室的相關(guān)研究人員利用咖啡環(huán)效應(yīng),開創(chuàng)了一種“咖啡環(huán)平面印刷術(shù)”,成果地制備了溝道長度1~2微米的石墨烯電極(Adv. Mater., 2012, 24, 436)。最近,他們認真分析、研究了影響溝道長度L的各種因素,總結(jié)、推導出了一個公式。據(jù)此,他們通過噴墨打印技術(shù),在襯底上對超薄的聚甲基丙烯酸甲酯層(2~3 納米)進行溶劑蝕刻,隨后金屬淀積和溶脫剝離,成功開發(fā)了一種低成本、大批量、穩(wěn)定地制備亞微米聚合物晶體管電極的技術(shù)方法(圖2左上)。

  這種新技術(shù)相比本領(lǐng)域已有成果,具有不需要光刻預先圖案化,不需要有機硅烷修飾襯底,通過一個較大口徑的打印機噴頭(50 微米),即可加工溝道長度為700 納米(圖2左下)的場效應(yīng)晶體管等優(yōu)勢。應(yīng)用此技術(shù),他們以聚合物半導體 PDPPTzBT 材料為活性層,大量地構(gòu)筑了平均遷移率達1.2 cm2 V-1 S-1的聚合物晶體管。另外他們還發(fā)現(xiàn)該晶體管的光響應(yīng)度高達106 A W-1。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于近期的《先進材料》上(Adv. Mater. 2014, 26, 4683),并被選為雜志封底(圖2右)。

圖2  噴墨打印技術(shù)加工亞微米溝道有機場效應(yīng)晶體管  

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