Adv. Funct. Mater.：一種基于高度有序的銅酞菁/對六聯苯薄膜所制備的高性能有機異質結晶體管

【引言】

有機電子設備憑借價格低廉、高的適應性、易于加工等優勢在顯示器、傳感器、集成電路等領域有巨大應用潛力。有機光電子設備由于在寬波段具有極好的光探測性能和光導性能成為當今研究的熱點。有機光電子探測設備能夠將入射光信號轉化為電信號，能夠應用于醫療、環境監測、保密通信、輻射探測等眾多領域。基于有機光電晶體管制造的有機光電探測器，相比于光電二極管和光電導體，有更高的靈敏度和更低的噪音。有機光電晶體管除了被電壓控制外，光也可以作為其控制終端。金屬酞菁有大的共軛π鍵，在可見光波段具有高的吸收效率，而且具有好化學穩定性和熱穩定性，是一種十分重要的有機光電晶體管制備材料。但由于薄膜本質多晶性的問題，由金屬酞菁制備的有機光電晶體管性能受限，如何打破該限制是厄待解決的問題。

【成果簡介】

近日，來自中南大學孫佳副教授（通訊作者）和陽軍亮教授（通訊作者）等人基于高度有序的銅酞菁/對六聯苯 (CuPc/p-6P) 薄膜制備出了一種高性能有機光電晶體管，該有機光電晶體管在紫外光的照射下，具有很高的光電流與暗電流比和光響應度，有望推動有機光電晶體管的應用。

他們在p-6P薄膜表面外延生長CuPc薄膜，所得到的復合薄膜是一種高性能有機光電晶體管材料。在365納米的紫外光照射下，該有機光電晶體管的光電流與暗電流比和光響應度分別為2.2 × 10⁴ and 4.3 × 10² A W^?1，而一般CuPc薄膜光電流與暗電流比和光響應度分別為2.7 × 10² and 7.3 A W^?1。其之所以有這么高性能，一方面是p-6P薄膜可以作為分子模板層，讓CuPc薄膜高度有序生長，這可以提高載流子運輸和減少晶界; 另一方面CuPc薄膜和p-6P薄膜可以形成異質結，這可以增強材料對光吸收和提高光生載流子。他們還對該復合薄膜進行了更加深入的研究，用原子力顯微鏡發現了光電流主要產生在高度有序的CuPc/P-6P? 異質結晶粒內部，而晶界處產生的光電流可以忽略不計。

他們制備有機光電晶體管，將分子模板生長和有機異質結結合了起來，為開發高性能有機光電晶體管提供了一種好的方法，也促進了有機光電晶體管的發展。

【圖文導讀】

圖1? 結構圖和形貌圖

（a）CuPc分子結構

（b）p-6P分子結構

（c）無序的CuPc薄膜(5 μm × 5 μm)形貌圖。

（d）高度有序的CuPc/p-6P 薄膜(10 μm × 10 μm)形貌圖。

圖2? 仿真模擬圖和相關光電性能

（a）CuPc/p-6P 光電晶體管結構仿真模擬圖。

（b）CuPc/p-6P 光電晶體管典型的轉換特征，V_ds = ?50 V下，在黑暗或者不同光強的365nm的紫外光照射條件下分別測得。

（c）CuPc光電晶體管典型的轉換特征，V_ds = ?50 V下，在黑暗或者不同光強的365nm的紫外光照射條件下分別測得。

（d）CuPc/p-6P 和CuPc光電晶體管ΔV與能量密度的函數關系曲線。

（e）V_on下CuPc/p-6P 和CuPc光電晶體管Ι_ph/Ι_dark與能量密度的曲線。

（f）V_on下CuPc/p-6P 和CuPc光電晶體管光響應度與能量密度的曲線。

圖3? 晶體管光電性能與光源相關參數、模板層厚度關系曲線

（a）V_on下，光源密度為2 mW/ cm^?2條件下，CuPc/p-6P 和CuPc光電晶體管Ι_ph/Ι_dark與光源波長的關系曲線。

（b）V_on下，光源密度為2 mW/ cm^?2條件下，CuPc/p-6P 和CuPc光電晶體管光響應度與光源波長的關系曲線。

（c）玻璃襯底的CuPc, CuPc/p-6P和 p-6P薄膜的UV–vis吸收光譜。

（d）V_on下，波長為365nm、光密度為500μW/ cm^-2紫外光照射條件下，CuPc/p-6P 和CuPc光電晶體管光電流強度和光響應度與p-6P 層厚度的關系。

圖4? UPS測試結果

（a）CuPc/p-6P和 p-6P薄膜UPS光譜的截止區和HOMO區。

（b）CuPc/p-6P異質結界面UPS測量能級圖。

圖5? 光照和電壓對晶體管的調控

（a）CuPc/p-6P異質結光電晶體管光響應，其可以被光照(365nm, 10 mW cm^-2)切變，還可以被重置電脈沖（-60V）所關閉。CuPc/p-6P異質結光電晶體管能級圖。

（b）光照下。

（c）重置電脈沖下。

圖6? AFM測試結果

（a）CuPc/p-6P薄膜的形貌圖。

（b）CuPc薄膜的形貌圖。

（c）CuPc/p-6P薄膜黑暗中相應的當前形貌圖，掃描區域大小為3 μm × 3 μm。

（d）CuPc薄膜黑暗中相應的當前形貌圖，掃描區域大小為3 μm × 3 μm。

（e）CuPc/p-6P薄膜光照下相應的當前形貌圖，掃描區域大小為3 μm × 3 μm。

（f）黑暗下（時間<40s）或者光照（時間≥ 40 s）下尖端探測的電流變化與時間的函數關系曲線。

【小結】

他們在p-6P薄膜表面上生長CuPc薄膜，十分巧妙地將分子模板生長和有機異質結結合起來了，所制備的復合薄膜是十分優秀的有機光電晶體管制備材料。他們的工作大大提高CuPc薄膜材料的性能，為設計高性能的光電晶體管制備材料提供了一種好的方法，推動了有機光電晶體管制備材料應用。

文獻鏈接：High-Performance Organic Heterojunction Phototransistors Based on Highly Ordered Copper Phthalocyanine/para-Sexiphenyl Thin Films?（Advanced Functional Materials,2017, DOI: 10.1002/adfm.201604933）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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