張關心&張德清Adv. Mater：光可編程熱可擦存儲器后的光/熱響應的場效應晶體管

【研究背景】

在過去的幾十年里，由于各種共軛分子和大分子的設計和合成以及對自組裝和界面結構的控制，高電荷遷移率的有機和聚合物半導體得到了迅速發展。P溝道和N溝道場效應晶體管（FETs）的性能現在與傳統的非晶硅FETs媲美甚至更高。人們正在不斷探索新的共軛分子和大分子，以提高FETs的性能。同時，近年來通過除電場以外的外部刺激（例如光照射和加熱）來調節半導體特性的刺激響應性有機半導體材料越來越受到關注。同時，還已經研究了具有有機和聚合物半導體的FETs用于非易失性存儲器件，設計了不同的技術來實現電荷存儲并因此實現存儲功能。

【成果簡介】

近日，北化所張關心副研究員與張德清研究員共同報道了摻入光致變色的六芳基咪唑化合物（p-NO₂-HABI）后，PDPP4T（聚（二酮吡咯并吡咯-四噻吩））場效應晶體管（FETs）的半導體性能可以通過紫外光照射和熱加熱實現可逆調諧，成功制備了PDPP4T與p-NO₂-HABI混合薄膜的光/熱響應FETs。紫外光照射后，在v_g=0 V時，電流增大到10⁶倍，傳輸特性明顯改變。然而，進一步加熱會導致傳遞曲線的恢復。該方法可推廣到其它半導體聚合物，如P3HT（聚3-己噻吩）、PBTTT（聚2,5-雙（3-十四烷基噻吩-2-基）噻吩）和PDPPDTT（聚二酮吡咯二硫代噻吩）。假設紫外光照射后p-NO₂-HABI形成的TPIRs（2,4,5-三苯基咪唑基）能與柵-介電-半導體界面和半導體層中的電荷缺陷相互作用，在半導體溝道中誘導更多的空穴載流子。進一步證明了PDPP4T和p-NO₂-HABI的混合薄膜在制備光可編程和熱可擦除FET基非易失性存儲器器件方面的應用，該器件在i）高開關電流比方面具有優勢，ii）低電偏壓下的無損讀數，以及iii）相當高的穩定開關狀態。該文章近日以題為“Photo-/Thermal-Responsive Field-Effect Transistor upon Blending Polymeric Semiconductor with Hexaarylbiimidazole toward Photonically Programmable and Thermally Erasable Memory Device”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、HABIs的結構示意圖

a）HABIs的化學結構及其光致變色行為；b）PDPP4T的結構；c）底柵底接觸OFET器件結構。

圖二、HABI的化學結構的光譜研究

p-NO₂-TPIRs的吸光度在359 nm處衰減，p-CF₃-TPIRs的吸光度在343 nm處衰減，TPIRs的吸光度在349 nm處衰減。

圖三、p-NO₂–HABI薄膜的光照行為

p-NO₂-HABI薄膜在UV照，然后在100℃加熱20 s前后的UV和ESR光譜。

圖四、傳輸特性的變化

在紫外輻照和后續熱處理條件下，PDPP4T和p-NO₂-HABI共混薄膜在10% wt%時FET轉移曲線的變化。

圖五、器件性能

（a-b）PDPP4T/p-NO₂-HABI混合薄基膜OFET的存儲器設備的WRER循環和保留特性。

【結論展望】

綜上所述，作者報告可逆調與PDPP4T FET的半導體性能，通過UV光照射和熱力加熱新的簡便方法p-NO₂-HABI，對于其中相應的TPIR自由基示出合理的良好的穩定性，因為吸電子NO₂的摻入。在紫外線照射下，PDPP4T和p-NO₂-HABI共混物薄膜場效應晶體管在V_G=0 V處觀察大的電流增強高達10⁶倍，此外，轉移特性發生了顯著變化。但是，器件電流下降到初始值，并且在連續加熱100°C之后恢復了傳輸曲線。令人高興的是，這種方法可以擴展到其他半導體聚合物，例如P3HT，PBTTT和PDPPDTT。作者假設，從形成在TPIRs p-NO₂-HABI UV光照射后可以在柵極電介質-半導體界面電荷缺陷相互作用誘導的器件性能的變化。值得注意的是，作者成功地證明了PDPP4T的共混物薄膜和p-NO₂-HABI（10 wt％）可用于制造基于光子可編程和熱可擦除FET的非易失性存儲器件，具有以下優點：i）高開/關電流比，ii）低電偏壓下的無損讀數，以及iii）較高的穩定導通狀態和截止狀態。

文獻鏈接：Photo-/Thermal-Responsive Field-Effect Transistor upon Blending Polymeric Semiconductor with Hexaarylbiimidazole toward Photonically Programmable and Thermally Erasable Memory Device (Adv. Mater. 2019, 1902576)

本文由大兵哥供稿。

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