蘇大張曉宏揭建勝&天大胡文平Materials Today：通道限制的彎液面自組裝法實現晶圓級有機半導體單晶材料均勻地陣列化生長

【引言】

與有機半導體薄膜體系相比，其單晶材料具有長程有序的分子堆積結構、無晶界及缺陷密度低等特點，因此具有較高的載流子遷移率和較長的激子擴散長度。以有機半導體單晶為器件構筑基元，有望突破薄膜體系的限制，實現高性能光電器件。然而，獲得大的有機半導體單晶相對比較困難，其往往是以微納尺度存在。另外，由于缺乏對有機半導體分子成核點的控制，單晶一般隨機、無取向地分布在襯底上。因此，要實現基于有機半導體單晶材料的大規模器件應用，首先需要解決材料大面積有序地陣列化生長的問題。為此，許多研究組開發了一系列基于涂布技術的大規模組裝策略，如浸涂、刮涂、旋涂等，實現了有機半導體單晶材料的大面積陣列化生長，并成功展示了其在高性能集成器件中的應用。盡管如此，目前有機半導體單晶在有序陣列化結構制備方面，依然面臨諸多挑戰。采用涂布技術雖然很容易實現大規模的制備，但是得到的單晶陣列中晶體與晶體間的取向、形貌（包括尺寸、厚度等）都存在較大的差異，導致最終所獲器件與器件間的性能相差很大，不利于集成器件的應用。

【成果簡介】

近日，蘇州大學功能納米與軟物質研究院張曉宏教授（通訊作者），揭建勝教授（通訊作者）與天津大學胡文平教授（通訊作者）研究團隊合作發展了通道限制的彎液面自組裝法實現了晶圓級、取向一致的有機半導體二聯苯蒽單晶陣列。該方法，創新性地在傳統的涂布技術中引入微尺度的光刻膠通道來限制彎液面的寬度與形狀，實現減小彎液面前端尺寸的目的。這避免了晶體在此處的多倍成核行為，保證了在后續晶體生長中取向的一致性。利用該方法首次實現了晶圓級、尺寸均勻的有機半導體二聯苯蒽單晶陣列。通過器件表征發現，所得到的二聯苯蒽單晶陣列的平均載流子遷移率高達30.3 cm² V^-1 s^-1，同一基底上的63個器件遷移率的標準偏差僅為5.36 cm² V^-1 s^-1，器件平均遷移率是目前有機場效應晶體管中的最高值。該方法不僅實現了晶圓級有機半導體單晶的陣列化生長，更為重要地是為控制有機晶體的成核與生長提供了可行的方案，為將來通過控制晶體成核行為來設計高性能的有機電子器件奠定了基礎。相關成果以“Channel-restricted Meniscus Self-assembly for Uniformly Aligned Growth of Single-Crystal Arrays of Organic Semiconductors” 為題發表在Materials Today上。蘇州大學功能納米與軟物質研究院講師鄧巍，張秀娟教授與中科院化學所董煥麗教授為論文第一作者。

【圖文導讀】

圖一：傳統涂布法與通道限制的彎液面自組裝法的對比

(a, b) 傳統涂布法生長有機半導體單晶陣列的示意圖及得到陣列的偏光顯微鏡照片。傳統涂布法中彎液面的尺寸非常大，因此其前端會出現尺寸和取向不一致的成核點，這就造成了得到的陣列中晶體與晶體間取向和形貌不一致，表現為偏光顯微鏡中晶體的明暗差異。

(c) 通道限制的彎液面自組裝法的示意圖。圖中可以發現當用微米尺度的光刻膠通道時，彎液面的尺寸減小為微米級而其前端只有百納米級，只能形成一個晶核，所以得到的晶體的取向和形貌就會變的一致。

(d) 計算流體動力學仿真結果證實了微米尺度的光刻膠通道可以有效地減少彎液面前端的尺寸。

(e) 通道內彎液面的顯微鏡照片及其示意圖。

(f) 求解Navier-Stokes方程得出彎液面中前端對流速度最大。表明前端會優先聚集有機分子提前達到過飽和態，所以在此處優先成核、結晶。

圖二：利用通道限制的彎液面自組裝法制備晶圓級有機半導體單晶陣列

(a) 晶圓級有機半導體單晶陣列生長的示意圖。

(b) 2英寸晶圓上的有機半導體單晶陣列的實物照片。

(c) 晶圓上有機半導體單晶陣列的偏光顯微鏡照片。

(d) 有機半導體單晶陣列的SEM照片。

(e) 有機半導體單晶的AFM表征結果。

(f) 2英寸晶圓上的有機半導體單晶寬度和厚度的統計。

圖三：有機半導體單晶陣列晶體質量的表征

(a-c) 有機半導體單晶陣列的同步輻射掠入射X射線衍射表征結果。

(d, e) 基底不同區域有機半導體單晶的TEM表征結果。

(f) 有機半導體單晶的高分辨AFM表征結果。

(g, h) 該方法得到的單晶晶胞結構與大單晶結構的對比。

圖四：基于有機半導體單晶陣列場效應晶體管性能測試與應用展示

(a) 基于二聯苯蒽單晶陣列的場效應晶體管器件示意圖和偏光顯微鏡照片。

(b, c) 該器件的轉移和輸出特性曲線。

(d) 該器件的連續開關穩定性。

(e, f) 同一基底上63個器件性能的統計結果。

(g, h) 利用該器件驅動OLED的結果。

【總結】

該工作采用通道限制的彎液面自組裝法首次實現了晶圓級取向一致的有機半導體單晶陣列。并通過流體仿真證實了有機分子在微尺寸通道內的成核機理。通過同步輻射技術表明了大面積范圍內所得到晶體的單晶屬性；并通過測試同一基底上的器件，證明了所得到單晶在大面積范圍內的取向和形貌的一致性。此外，不同類型的有機半導體材料同樣適用于該方法，說明該方法具有很好的兼容性。最終，在此方法下，我們得到的場效應晶體管的平均遷移率超過目前所有的有機器件，為實現大規模、高性能有機電路奠定了材料基礎。

文獻地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702118305790?via%3Dihub

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