北大裴堅教授和雷霆研究員Adv. Mater.：高性能的晶圓級n型聚合物單分子層晶體管首次問世

【引言】

二維材料在光電器件、生物/化學傳感器、催化和儲能領域有著廣泛的應用，越來越引起研究人員的興趣。它們超薄的特點賦予其獨特的物理和化學性質，例如超高的載荷子遷移率和量子霍爾效應等。目前，有機功能薄膜可以大規模進行制備，而二維有機單分子層卻很少被實現。二維有機單分子層由于厚度較小且均一，可能實現均一的大面積加工和較低的接觸電阻。空穴遷移率達3 cm² V^?1 s^?1的聚合物單分子層場效晶體管已經被文獻報道。n型共軛聚合物的種類少且空氣穩定性不高，制備高性能的n型聚合物單分子層晶體管仍具有一定的挑戰性。和p型聚合物相比，之前報道的n型聚合物單分子層場效晶體管的遷移率低1-2個數量級。因此，大面積加工高性能的n型聚合物單分子層晶體管具有重要的研究意義。

【成果簡介】

近日，北京大學的裴堅教授和雷霆研究員（共同通訊作者）報道了通過共軛聚合物的多級自組裝策略來實現大面積加工聚合物單分子層，并獲得了高性能的n型聚合物晶體管。由于聚合物的自組裝過程主要在溶液中進行，二維聚合物單分子層能輕松地沉積在不同的基底上，理論上沒有尺寸的限制。聚合物單分子層晶體管的電子遷移率在n型單分子層有機晶體管中為最高值，可達1.88 cm² V^?1 s^?1。該方法可以輕松地制備晶圓級、高均勻性、低接觸電阻、晶體管性能優異的n型共軛聚合物單分子層。他們的工作提供了一種“從下而上”的方法來制備大規模、均勻的二維聚合物單分子層，使共軛聚合物在晶圓級的精密電子設備上的應用成為可能。這項工作發表于Advanced Materials上，第一作者是北京大學博士研究生姚澤凡。

【圖文導讀】

圖1.共軛聚合物的多級自組裝過程

a.共軛聚合物分子鏈

b.一維蠕蟲狀組裝體

c.聚合物組裝體的進一步生長

d.網絡狀組裝體

e.基底上的二維單分子層網絡

圖2.晶圓級二維聚合物單分子層網絡

a.共軛聚合物的分子結構

b.聚合物分別在氯苯/氯仿溶液、氯仿溶液、氯仿/二氯甲烷溶液中的吸收光譜

c.浸涂設備實物圖

d.沉積的聚合物薄膜的AFM高度圖

e.聚合物在0.005 mg mL^?1的氯仿溶液中和薄膜的吸收光譜

f.聚合物薄膜的吸光度和對應的厚度

g.4英寸晶圓級SiO₂/Si基底上的聚合物單分子層薄膜

圖3.薄膜內的分子排列模式

a.聚合物薄膜的二維GIWAXS圖

b.平面外和平面內的一維GIWAXS曲線

c.垂直基底方向上聚合物單分子層的電子密度圖

d.聚合物分子的“edge-on”排列模式

圖4.薄膜晶體管及其電荷傳輸性能

a.4英寸晶圓上的薄膜晶體管及其器件結構示意圖

b.薄膜晶體管的轉移特性曲線

c.薄膜晶體管的輸出特性曲線

d.薄膜晶體管的開關穩定性曲線

e.聚合物單分子層薄膜和多分子層薄膜的晶體管遷移率及其分布

f.不同位置的薄膜晶體管的電子遷移率

g.本工作與文獻中報道的n型聚合物單分子層晶體管性能

h，i.旋涂的多分子層和浸涂的單分子層的接觸電阻

j，k.單分子層薄膜晶體管和多分子層薄膜晶體管的肖特基勢壘高度

圖5.共軛聚合物的多級自組裝

a.聚合物的3 mg mL^?1氯仿溶液的小角中子散射曲線

b.氯仿溶液中聚合物呈現一維蠕蟲狀的分子組裝模型

c.分子模擬的單根聚合物分子鏈在溶液中的構象

d,e.聚合物溶液凍干后的AFM高度圖（d）和TEM圖（e）

f.聚合物在溶液中的自組裝過程

【小結】

作者團隊通過控制共軛聚合物的多級自組裝過程制備了晶圓級、均勻的二維聚合物單分子層膜。通過自組裝過程，溶液中聚合物的一維蠕蟲狀組裝體進一步生長為網絡狀組裝結構，且在基底上沉積為二維單分子層網絡。從溶液出發的聚合物自組裝過程是二維單分子層網絡具有高均勻性的根本原因。晶圓級的聚合物單分子層晶體管表現出優異的電荷傳輸性能和空氣穩定性。聚合物單分子層場效應晶體管的電子遷移率可達1.88 cm² V^?1 s^?1，且表現出較低的接觸電阻和肖特基勢壘。這項工作能進一步促進共軛聚合物在低成本的、大規模的復雜電子設備中的實際應用。

文獻鏈接：Wafer‐Scale Fabrication of High‐Performance n‐Type Polymer Monolayer Transistors Using a Multi‐Level Self‐Assembly Strategy（Adv. Mater.，2018，DOI：10.1002/adma.201806747）

附加：

1.團隊介紹：

雷霆，北京大學工學院特聘研究員，博士生導師。

2018年獲中共中央組織部“青年千人”計劃支持。主要研究方向為有機高分子功能材料和其在電子、能源和環境科學中的應用研究。個人主頁：www.coe.pku.edu.cn/jzyg/qbjylb/876505.htm

裴堅，北京大學化學與分子工程學院教授，博士生導師。目前主要研究方向：有機高分子電子學材料的合成、組裝、表征及器件化。課題組主頁：www.chem.pku.edu.cn/pei/

2.團隊在該領域的工作匯總：

2017年，裴堅課題組報道使用中子散射與冷凍技術研究溶液中共軛聚合物聚集結構，相關工作發表于Adv. Mater.。Unraveling the Solution-State Supramolecular Structures of Donor–Acceptor Polymers and their Influence on Solid-State Morphology and Charge-Transport Properties, Advanced Materials, 2017, 29, 1701072. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201701072

本文由材料人編輯部kv1004供稿，材料牛整理編輯。感謝博士研究生姚澤凡對本文進行校稿！