蘇州大學揭建勝團隊Adv. Funct. Mater.：通過阻擋電子注入來改善p型有機場效應晶體管的理想性

【引言】

自1986年第一個基于有機半導體材料的場效應晶體管被報道以來，有機場效應晶體管（OFET）在化學、物理、材料以及微電子領域都得到了研究人員的廣泛關注。在器件應用方面，OFET被認為是未來有機柔性集成器件的基本構成單元，可廣泛應用于柔性智能芯片、低成本射頻標簽、有機有源矩陣顯示等領域。在基礎研究方面，OFET是研究有機單晶半導體電學特性以及有機電子學的基礎器件。OFET器件遷移率已經從最初10^-5?cm²?V^-1 s^-1發展到目前超過30 cm²?V^-1 s^-1，且OFET作為一種器件測試結構也被用來評估有機半導體遷移率，其場效應遷移率通常是由電流-電壓特性推導得出，并假設該電流-電壓關系遵從傳統FET中肖克利漸進溝道近似（GCA）模型。然而，在實際器件測試中，得到的用來提取遷移率的電流-電壓關系并非標準線性曲線，該現象稱為OFET的非理想行為。若將肖克利公式直接套用于非理想型器件遷移率提取時，可能會導致遷移率被錯誤估算。近年來，OFET中的非理想行為引起了研究人員的廣泛關注，因此，構建具有理想工作特性的OFET對正確評價有機半導體性能，以及促進其實際應用具有重要意義。

【成果簡介】

近日，蘇州大學功能納米與軟物質研究院（FUNSOM）揭建勝教授團隊首次報道了一種采用寬禁帶有機半導體（OSC）修飾半導體-電極接觸界面的策略，用于制備接近理想特性的基于p型窄禁帶材料的OFET器件。通過在電極接觸區插入一層超薄的寬帶隙OSC層，可以有效地阻止p型OFET中的電子注入過程（該過程會造成器件出現雙斜率型的非理想行為）。因此，由電子注入以及注入后被捕獲引起的偏壓不穩定和雙斜率的非理想行為可以得到有效抑制。以基于dif-TES ADT晶態薄膜的OFET為研究對象，他們成功地將器件的非理想特性轉化為近理想特性，并且顯著改善了器件的電學穩定性。這種寬禁帶修飾方法表現出良好的普適性，為具有理想特性的OFET的制備提供了新的思路。該成果以題為“Improving Ideality of P-Type Organic Field-Effect Transistors via Preventing Undesired Minority Carrier Injection”發表在了Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1?dif-TES ADT基OFET中電子注入和捕獲效應誘導的雙斜率非理想行為

a）dif-TES ADT（左）和PS（右）的分子結構。

b）涂布技術制備的dif-TES ADT微米帶的偏光顯微圖像。

c）本研究中使用的底柵頂接觸結構OFET示意圖。

d）器件中各組分能帶結構示意。

e）不期望的電子注入過程。

f）器件的典型雙斜率非理想行為。

g）dif-TES ADT基OFET器件遷移率可靠性分布。

h）電子注入和捕獲效應引起的轉移曲線正漂移。

圖2?電極-半導體界面插入寬禁帶修飾層的dif-TES ADT器件特性

a）寬禁帶層修飾器件的示意圖。圖左為寬禁帶分子的結構。

b）沉積1 nm-MoO₃前后C10-BTBT的S 2p峰的XPS光譜，插圖顯示了C10-BTBT和MoO₃之間的電荷轉移。

c）電子阻擋和空穴注入過程的能級圖。

d，e）在電極接觸區域中用10 nm-C10-BTBT修飾的dif-TES ADT基OFET的d）接近理想的轉移曲線和e）相應的與柵極無依賴性的g_m。

f，g）在不同柵壓掃描范圍內提取的10 nm-C10-BTBT修飾器件的電流-電壓特性曲線

h）10 nm-C10-BTBT修飾后器件的遷移率可靠性分布

i）不同厚度C10-BTBT修飾層器件的平均閾值電壓偏移量和可靠性變化

圖3?dif-TES ADT微米帶上不同厚度的C10-BTBT層的覆蓋表征

a-c）不同厚度寬禁帶層修飾后微米帶的形貌表征。比例尺：3 μm。

d-f）不同厚度寬禁帶層修飾后微米帶的元素分析。

圖4 dif-TES ADT基OFETs的空穴注入勢壘比較

a）本征，c）10 nm-C10-BTBT修飾的和e）20 nm-C10-BTBT修飾的在不同溫度下的輸出特性曲線。

b）本征，d）10 nm-C10-BTBT修飾的和f）20 nm-C10-BTBT修飾的器件根據阿侖尼烏斯公式擬合所得的空穴注入勢壘值。

圖5 阻擋電子注入提高器件理想特性策略的普適性實驗

a）寬禁帶修飾材料以及窄禁帶主體材料的能級圖。

b,c）dif-TES ADT器件在修飾10 nm-C8-BTBT后的穩定轉移特性曲線和無柵壓依賴性的g_m。

d,e）TIPS-pen器件在修飾10 nm-C10-BTBT后的接近理想的轉移特性曲線和g_m。

【小結】

綜上所述，該團隊提出了一種簡便的改善p型有機場效應晶體管非理想行為的有效方法。通過在半導體-電極界面引入能帶合適的寬禁帶修飾層，可以有效阻止p型窄禁帶小分子OFET中的電子的注入，顯著改善由此引起的非理想兩段斜率行為和電學不穩定性。在dif-TES ADT微米帶的OFET中，使用寬禁帶層修飾后，遷移率的平均可靠性可以從65.11%大幅提高至91.76%，曲線的漂移現象也得了有效抑制。這種方法具有良好的普適性，為促進理想器件的實際應用提供了新的思路。

文獻鏈接：Improving Ideality of P-Type Organic Field-Effect Transistors via Preventing Undesired Minority Carrier Injection（Adv. Funct. Mater.，2021，DOI: 10.1002/adfm.202100202）

【通訊作者簡介】

揭建勝，蘇州大學功能納米與軟物質研究院（FUNSOM）教授。2020年入選國家百千萬人才工程，2014年獲國家自然科學優秀青年基金，2008年入選教育部新世紀優秀人才。

主要從事有機單晶光電材料制備、性能調控以及高性能光電器件的研究。在Nature Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano等在內的國際重要刊物發表論文220余篇，其中IF>10的論文70余篇，論文SCI引用9700余次，H因子=55，其中21篇論文引用超過100次，15篇論文入選ESI高被引論文。多篇論文入選最多下載與年度熱點，并有10余篇論文被“Nature Materials”、“Nature China” 、“Materials Views”、“NPG Asia Mater.”等期刊與網站作為亮點專題報道。申請發明專利30項，已授權15項。任Journal of Physics: Materials、Materials Research Express以及中國化學快報編委。多次應邀在國際學術會議上進行匯報、擔任分會及大會主席。主持了包括國家重大研究計劃（973計劃）課題、國家優秀青年基金項目、國家自然基金重大研究計劃培育項目等在內的10余項國家級基金。2018年作為研究骨干參加國家基金委“有機/無機復合光電功能體系的構筑、界面調控及相關器件”創新研究群體。研究成果獲江蘇省科學技術一等獎（第一完成人）、安徽省自然科學二等獎（第二完成人）等獎勵。

課題組主頁：http://www.jjs-group.com/

（1）團隊介紹

揭建勝教授團隊致力于：（a）有機半導體及其高性能光電器件的研究，包括高遷移率有機半導體材料的合成、有機半導體微納晶態材料圖案化陣列的生長及其器件應用；（b）有機-無機雜化鈣鈦礦材料及其光電子器件的研究，包括有機-無機雜化鈣鈦礦微納單晶的制備、組裝及其光電器件的應用；（c）基于有機單晶光電材料的新型光電子器件的研究，包括柔性圖像傳感、仿神經元器件、單晶集成功能器件等。

團隊在該領域工作匯總:

揭建勝教授團隊以具有優異光電性能的有機小分子半導體材料為研究對象，從有機單晶材料的大面積有序生長和界面調控出發，瞄準高性能光電器件及其集成器件應用的目標，取得一系列創新性成果：（1）創新性提出了表面微結構輔助生長的新策略，實現了有機單晶光電材料的大面積圖案陣列化生長。相關工作發表在Adv. Mater. 2015, 27, 7305后迅速被Nature Materials以“Fast crystal patterning”為題進行了亮點報道。此外，進一步發展了一種新型的微溝道限制彎液面自組裝方法，實現了晶圓級、尺寸均勻、取向一致的有機單晶陣列生長。相關研究工作發表于Adv. Mater.?2021, 33, 2005915、Adv. Mater.?2020, 32, 2003315、Mater. Today 2019, 24, 17、Adv. Mater. 2016, 28, 2475、Nano Lett. 2017, 17, 8482 等期刊。同時，該方法也適用于多組分有機單晶如p-n結陣列的制備，以及柔性基底上單晶陣列的生長，系列工作發表于Adv. Mater. 2018, 30, 1800187、Adv. Mater. 2020, 32, 1908340、Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902494、Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 4797；（2）提出了界面修飾有效改善器件可靠性和穩定性的創新方法，并系統揭示了空氣中水氧等因素對有機單晶場效應晶體管持續光電導以及器件理想性的影響，通過界面修飾，實現了高性能以及高理想性的有機單晶場效應晶體管（Adv. Funct. Mater. 2021, DOI:?10.1002/adfm.202100202、Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906653、Adv. Funct. Mater.?2019, 29, 1905657、Nanoscale Horiz. 2020, 5, 454）；（3）提出了利用光生載流子存儲效應有效提高有機單晶場效應光電晶體管（Memory Phototransistors）靈敏度的新方法，突破了傳統光電晶體管靈敏度受光電轉換冪定律的限制（Nat. Commun. 2019, 10, 1294），構筑了高集成度的有機單晶場效應晶體管陣列，為滿足有機單晶體陣列在邏輯電路、可尋址傳感器等高集成度器件中的應用創造了條件（Mater. Today 2020, 40, 82、Small 2017, 13, 1604261、Adv. Electron. Mater. 2016, 10, 1002、Small Methods 2018, 2, 1700340）。在此基礎上，進一步拓展了有機單晶場效應晶體管在可尋址圖像傳感器和新型模擬人工視覺感知系統中的應用（ACS Nano, 2019, 13, 9、NPG Asia Mater. 2019, 11, 77、Adv. Mater. Tech. 2017, 2, 1600280）。

（2）相關優質文獻推薦

Wei Deng, Yanling Xiao, Bei Lu, Liang Zhang, Yujian Xia, Chenhui Zhu, Xiujuan Zhang, Jinghua Guo, Xiaohong Zhang, and Jiansheng Jie*, “Water-Surface Drag Coating: A New Route Toward High-Quality Conjugated Small-Molecule Thin Films with Enhanced Charge Transport Properties”, Adv. Mater.?2021, 33, 2005915.

Wei Deng, Jiansheng Jie*, Xiuzhen Xu, Yanling Xiao, Bei Lu, Xiujuan Zhang, and Xiaohong Zhang*, “A Microchannel-Confined Crystallization Strategy Enables Blade Coating of Perovskite Single Crystal Arrays for Device Integration”, Adv. Mater.?2020, 32, 1908340.

Wei Deng, You Lv, Xiali Zhang, Xiaochen Fang, Bei Lu, Zhengjun Lu, and Jiansheng Jie*, “High-Resolution Patterning of Organic Semiconductor Single Crystal Arrays for High-Integration Organic Field-Effect Transistors”, Mater. Today?2020, 40, 82.

Jinwen Wang, Xiaofeng Wu, Jing Pan, Tanglue Feng, Di Wu, Xiujuan Zhang, Bai Yang, Xiaohong Zhang and Jiansheng Jie*,?“Graphene‐Quantum‐Dots‐Induced Centimeter‐Sized Growth of Monolayer Organic Crystals for High‐Performance Transistors”,?Adv. Mater.?2021, 33, 2003315.

Xiujuan Zhang, Jian Mao, Wei Deng, Liming Huang, Xiaohong Zhang, Shuit-Tong Lee, and Jiansheng Jie*, “Precise Patterning of Laterally Stacked Organic Microbelt Heterojunction Arrays by Surface-energy Controlled Stepwise Crystallization for Ambipolar Organic Field-effect Transistors”, Adv. Mater.?2018, 30, 1800187.

（3）博士后招聘

具有物理、材料、微電子或化學博士學位，能夠獨立開展研究工作，并具有良好的英文寫作與交流能力；易于溝通，可以協助指導研究生。研究方向：

（a）有機半導體材料合成，主要涉及在場效應晶體管中應用的有機小分子半導體材料的合成；

（b）有機半導體微納晶態材料圖案化陣列的組裝及其器件應用（場效應晶體管和光電探測器等）；

（c）有機-無機雜化鈣鈦礦微納單晶的制備、組裝及光電器件應用；

（d）理論模擬：第一性原理計算、流體力學模擬。

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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