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場(chǎng)效應(yīng)晶體管是半導(dǎo)體器件的重要元件之一，被廣泛地用于計(jì)算機(jī)、通信和信息技術(shù)之中。有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有低成本、輕便、柔性等特點(diǎn)，并且可以采用溶液加工，在邏輯電路、顯示器件和射頻電子標(biāo)簽等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管也為研究有機(jī)光電材料的構(gòu)效關(guān)系以及有機(jī)光電材料內(nèi)部電荷傳輸機(jī)制提供了一個(gè)很好的器件平臺(tái)，這些科學(xué)問(wèn)題的研究對(duì)于其他光電器件，如有機(jī)電致發(fā)光二極管和太陽(yáng)能電池也具有重要的意義。

具有高電子遷移率的單晶場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料的開(kāi)發(fā)

近年來(lái)，大量缺電子的片段被應(yīng)用于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究中，并實(shí)現(xiàn)了在空氣下高的空穴遷移率和在氮?dú)庀赂叩碾娮舆w移率。然而在空氣下電子遷移率超過(guò)1 cm2 V?1 s?1的有機(jī)材料卻極少報(bào)道，嚴(yán)重阻礙了n-型材料的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)新型的缺電子骨架以實(shí)現(xiàn)空氣穩(wěn)定的電子傳輸性能是有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料的研究難點(diǎn)。在本工作中，裴堅(jiān)-王婕妤課題組在他們此前設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的BDOPV(北大OPV)分子共軛骨架上引入氟原子，進(jìn)一步降低分子的LUMO能級(jí)，從而提高材料的空氣穩(wěn)定性并改善載流子注入。同時(shí)，氟原子的引入導(dǎo)致分子在單晶中表現(xiàn)出少見(jiàn)的反平行共面排列。得益于這種有效的共軛堆積模式，在單晶中F4-BDOPV的電子轉(zhuǎn)移積分達(dá)到了201 meV，為目前報(bào)道的最高的轉(zhuǎn)移積分值。隨后，將F4-BDOPV的微米線工成場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件，在空氣下其電子遷移率達(dá)到了12.6 cm2 V?1 s?1，且空氣下非常穩(wěn)定，這一結(jié)果是目前有機(jī)半導(dǎo)體材料電子遷移率的最高值，該項(xiàng)工作近期發(fā)表于Advanced Materials 2015, 27, 8051-8055，同時(shí)被選為當(dāng)期底封面文章(如上圖所示)。

小分子單晶場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究

結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系是材料科學(xué)的研究核心。有機(jī)半導(dǎo)體中的載流子傳輸與其分子排列密切相關(guān)，然而影響有機(jī)小分子晶體排列的因素很多且非常復(fù)雜，使得合理地調(diào)控其分子排列以及對(duì)結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究變得尤為困難。在本工作中，研究人員在共軛骨架的不同位置引入不同數(shù)目的氟原子，成功獲得并解析了五個(gè)晶體的單晶結(jié)構(gòu)。這一系列化合物的單晶排列隨分子偶極矩與靜電勢(shì)的改變而逐漸發(fā)生變化，并且其器件性能以及轉(zhuǎn)移積分的計(jì)算結(jié)果也隨其單晶排列不同而不同，五個(gè)晶體在空氣中的電子遷移率均超過(guò)2 cm2 V?1 s?1，最高超過(guò)10 cm2 V?1 s?1。該項(xiàng)工作近期發(fā)表于Journal of the American Chemical Society 2015, 137, 15947-15956 (如上圖所示)。

通過(guò)對(duì)分子間弱相互作用力的調(diào)控來(lái)設(shè)計(jì)合成材料

這一系列工作運(yùn)用超分子化學(xué)的思想和方法，通過(guò)對(duì)分子間弱相互作用力的調(diào)控來(lái)設(shè)計(jì)合成有機(jī)光電功能材料，研究器件性能，并探索其結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系。此外，進(jìn)一步利用研究得到的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，設(shè)計(jì)合成新的材料體系，并最終實(shí)現(xiàn)了高性能材料體系的開(kāi)發(fā)。該系列工作不僅具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，而且對(duì)理解載流子在有機(jī)材料中的遷移過(guò)程具有重要的理論意義。

博士研究生竇錦虎是Advanced Materials的第一作者。博士研究生竇錦虎、鄭雨晴是Journal of the American Chemical Society的并列第一作者，中科院化學(xué)研究所易院平課題組參與了該系列研究的理論計(jì)算工作。相關(guān)工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和上海光源的資助與支持。

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文章鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b11114

http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201503803/full