Nature子刊：本征離子導電纖維素納米紙作為固體電介質用于低壓有機晶體管

cc 5年前 (2018-08-03) 4291瀏覽

【前言】

開發操作電壓低，可生物降解和具有柔性等特性的器件是未來有機電子學發展的重要趨勢。科學技術的快速發展導致消費電子產品的預期壽命顯著降低，加速了不可再生資源的消耗以及產生了大量的電子垃圾。電子垃圾會導致不良的人體健康影響和產生嚴重的環境污染。因此，開發“綠色”電子設備具有重要意義，因為“綠色電子”不僅僅是一個新的科學術語，也是一個新的領域，旨在研究具有環境安全（可生物降解）和/或生物相容的天然化合物在電子器件領域中的應用。此外，降低電子元件的操作電壓對于獲得高能效電子元件來說非常重要。有機場效應晶體管（OFET）作為未來柔性，可穿戴和便攜式電子設備中的重要組件，在傳感器，射頻識別標簽和柔性顯示器等領域具有廣泛的應用前景。然而，現有的可用于制備OFETs的介電層材料往往難以同時兼具柔性、低壓和生物可降解等優異特性。 因此，開發兼具綠色、環保和柔性的介電層材料用于制造低壓OFETs具有重要的意義。

【成果簡介】

近日，來自同濟大學的黃佳教授（通訊作者）在Nature Communications上發表文章，題為：Intrinsically ionic conductive cellulose nanopapers applied as all solid dielectrics for low voltage organic transistors。該團隊報道了環保纖維素納米紙作為具有固有離子導電性的高電容介電層材料的應用。與以往報道的液體/電解質門控介電層不同，具有環保特性的纖維素納米紙可以用于制備全固態柔性低壓電子器件。基于纖維素納米紙的OFETs在低于2 V的操作電壓下表現出良好的器件性能。不僅如此，在彎曲半徑小于1 mm的條件下，器件的源漏電流及載流子遷移率并未出現明顯變化。纖維素納米紙的有趣特性，如離子傳導性、超光滑表面(~ 0.59 nm)、高透明度 (＞80 %)和柔性，使它們成為柔性、透明和低壓電子器件的高電容介電層材料的優秀候選。

【圖文導讀】

圖1. ICCN的照片以及AFM表征

a?高透明40μm-厚ICCN的照片；

b?ICCN的AFM圖；

c?ICCN的AFM劃線圖顯示超光滑表面，粗糙度~0.59?nm；

圖2. ICCNs的化學結構，FTIR以及XPS分析

a?用TEMPO預處理的ICCNs的化學結構；

b FTIR表征

c XPS表征；

圖3. 40 μm-厚ICCN的頻率相關有效電容

a在金屬/絕緣體/金屬(Au/ICCN/Au)結構中測量的40 μm厚ICCN的頻率相關有效電容(C-f)；

b電場作用下ICCNs中EDL的形成；

圖4. 基于ICCN的透明OFET示意圖

a具有底柵頂部接觸結構的基于ICCN的OFETs的示意圖；

b 40 μm厚的ICCN和ICCN/C8 - BTBT復合膜在不同波長下的透光率；

圖5. 基于OFETs的ICCNs的電特性

p-型小分子C8 - BTBT OFET的a、b 輸出(Id–Vd)特性曲線和c轉移曲線(Id–Vg)；

n-型小分子NTCDI - F15 OFET的d、e輸出(Id–Vd)特性曲線和f轉移曲線(Id–Vg)；

p-型聚合物PQT -12 OFET的g、h輸出(Id–Vd)特性曲線和i轉移曲線(Id–Vg)；

圖6 .柔性OFETs的彎曲測試

a Vg為6 V、Vd為5 V時的歸一化最大源-漏電流作為彎曲半徑的函數（歸一化到平坦狀態下測量的最大源-漏電流）；

b?彎曲測試的實施；

圖7. 基于ICCN的有機互補反相器

a 基于纖維素納米的有機互補反相器的照片及其簡化的電路圖；

b輸出電壓和c增益隨輸入電壓的變化。輸入電壓從-2 V掃描到4 V；

【總結】

作者展示了一類環境友好的全固態離子導電纖維素納米紙( ICCN )電介質。觀察到該電介質材料具有高透明度、低表面粗糙度、良好的熱耐久性和優異的機械性能。ICCNs適用于包括p型小分子C8 - BTBT、n型小分子NTCDI - F15和聚合物半導體PQT - 12在內的不同類型的OSCs柔性OFETs的制備。并且，ICCNs可同時用作介電層和襯底層。所有這些器件都顯示出良好的OFETs性能，并且可以在低于2 V的柵極-源極電壓下工作。這可以歸因于ICCN的離子傳導特性，該特性可以感應出EDL，因此在柵極電壓僅為幾伏的情況下，ICCN / OSC界面處會產生高的局部電場。在不同的彎曲半徑下測量了基于40 μm-厚ICCN的C8 - BTBT OFETs的高柔性，并且與平坦狀態相比沒有觀察到顯著的漏極電流變化，即使彎曲半徑小到1 mm。通過制造柔性有機互補反相器進一步展示了ICCN電介質在互補電路中的應用前景。由于ICCN具有低表面粗糙度、高透明度、耐溫性、柔性和固態離子導電性的綜合優勢，因此在未來可生物降解、柔性、透明和全固態低壓綠色電子產品中具有廣泛的應用。

文獻鏈接：Intrinsically ionic conductive cellulose nanopapers applied as all solid dielectrics for low voltage organic transistors, (Nature Communication, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05155-y)

【通訊作者簡介】

黃佳，同濟大學材料科學與工程學院教授、博士生導師，第二批國家青年千人。本科畢業于中國科學技術大學，在美國約翰霍普金斯大學獲得博士學位。長期從事有機半導體、有機場效應晶體管、柔性電子器件、以及傳感器領域的研究。研究成果以第一作者和通訊作者在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、 Advanced Materials、 Advanced Functional Materials、ACS Nano、Energy & Environmental Science、Advanced Science等期刊上發表。承擔國家自然科學基金項目、上海市基礎研究重點項目等科研項目7項。先后入選國家青年千人計劃、上海市浦江人才計劃等。獲同濟大學青年五四獎章、第十三屆上海市青年崗位能手稱號、第五屆中國青年科協的常務理事等。

黃佳教授課題組近幾年在有機晶體管傳感器以及綠色、生物安全柔性電子器件方面取得了一系列的重要進展。圍繞有機場效應晶體管器件，開展一系列的器件性能提升和應用拓寬的策略與方法研究，實現了包括能直接快速檢測固體、液體和氣體環境中有害化學物質的化學傳感器（Journal of the American Chemical Society, 2017, 139, 12366; Advanced Functional Materials, 2017, 27, 1700018; Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 4842）；基于生物材料聚乳酸和有機場效應晶體管的柔性薄膜溫敏傳感器陣列（Advanced Functional Materials, 2015, 25, 2138）；基于界面電荷效應的光敏傳感器（Advanced Materials, 2017, 29, 1704062; Advanced Functional Materials, 2017, 27, 1604163; Advance Science, 2016, 3, 1500435）；低工作電壓的有機晶體管器件(Nature Communications, 2018, 9, 2737)；基于有機晶體管的人工突觸器件(ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10, 21472; Advance Science, 2017, 4, 1700442)等。為這類器件的進一步發展和性能提升提供了新的器件設計結構和思路。并受邀撰寫了關于傳感器的綜述（Advanced Materials, 2018, 30, 1705642; Advanced Science, 2017, 5, 1700256; Macromolecular Rapid Communications, 2018, 39, 1800084）

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本文由材料人電子電工學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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