2017年11月22日
[本篇访问: 12809]
Science Advances 发表王欣然、施毅课题组在二维有机晶体管方面重要进展

有机半导体材料目前已广泛应用于薄膜晶体管、LED显示、柔性电路等领域。通过新材料、新工艺以及界面调控等方法,目前有机电子学的最基本元件-有机薄膜晶体管(OTFT)-的迁移率已经超过10cm2/Vs,可比拟有机单晶材料甚至多晶硅,但是其性能仍受到接触电阻及沟道杂质缺陷的限制,导致绝大多数OTFT需要较高的工作电压,影响了器件的长期稳定性。

近年来,二维有机半导体薄膜的成功制备,为构建高性能、低工作电压的OTFT提供了一条新的路径。与传统OTFT相比,二维超薄沟道具有以下几个显著优点:(1)在单层极限下,仍保持极高的晶体质量与载流子迁移率;(2)金属电极与电荷传输层直接接触,可以有效提高载流子的注入效率,降低接触电阻;(3)器件结构简单,有利于从理论计算的角度研究有机半导体电荷传输机制与器件物理;(4)二维有机晶体的制备方法具有多样性,包括气相范德华外延、液相自组装、液相外延等方法,尤其是液相方法可以制备出多种厘米级二维有机半导体,为大面积器件集成奠定基础(Adv. Mater. 23, 2059 (2011);Angew. Chem. Int. Ed. 55, 9519 (2016);Adv. Funct. Mater. 26, 3191 (2016))。然而,若试图完全发挥出二维OTFT的潜力,还需要对器件的各个界面进行系统优化,并从分子尺度就电荷传输和接触电阻等问题进行深入探讨。

针对上述问题,南京大学王欣然、施毅教授团队与中国人民大学季威教授、香港中文大学许建斌教授、日本冲绳科学技术大学院大学戚亚冰教授等团队合作,深入研究了二维C8-BTBT OTFT的本征载流子传输与电学接触特性,通过界面优化,实现了目前最高性能的二维OTFT。合作团队利用氮化硼作为基底外延制备出高质量的C8-BTBT薄膜晶体,采用非侵入性电极转移工艺制作出OTFT器件,实现了金属电极与单层有机晶体的完美接触,从而极大地提高了器件的整体性能。单层C8-BTBT OTFT的室温迁移率超过30 cm2/Vs,接触电阻为100 - 400 Ohm · cm,饱和输出电压降低至2V以下,均达到有机薄膜晶体管的最高水平(图1)。单层OTFT在低温测量中表现出金属性传导和欧姆接触等特性,进一步证实了沟道和界面的高质量。而双层及以上的OTFT则表现出明显的肖特基接触特性,输出曲线具有非线性特征,且随着厚度的增加,非线性越加明显。通过在电极接触区域插入石墨烯缓冲层,双层OTFT器件的接触得到显著的改善,输出曲线恢复了良好的线性特征,并大幅度降低了肖特基势垒。

图1. 单层C8-BTBT OTFT 的器件结构、室温下电学性能以及变温测量

团队的理论计算发现, 由于第一层和第二层 C8-BTBT分子堆叠不同,引起了费米面附近的态密度和分子轨道局域程度出现明显差异(图2),使得第一层(1L)和第二层(2L)分子和电极之间呈现不同的界面输运机制。1L C8-BTBT在费米面附近有较高的态密度和良好的传导态,增加载流子电荷隧穿概率、诱导了1L C8-BTBT和电极界面之间发生隧穿输运,显著地降低了C8-BTBT和金电极之间的接触电阻,实现欧姆接触。而2L费米面附近态密度较低,离费米面最近的分子轨道呈现局域态,钉扎效应导致2L C8-BTBT分子和电极的界面之间出现一个较大的肖特基势垒,而这一势垒通过引入石墨烯缓冲层可以得到明显改善。

图2. 理论模拟两层C8-BTBT和金电极的电学和接触特性

该成果表明二维超薄的OTFT既可以实现极好的电学性能,又为探索有机电子过程的內禀特性提供了一个新的平台,同时开启了通过分子堆积精准构筑以期调控电荷传输及接触特性的新思路。论文近期发表在Science子刊(Ultrahigh mobility and efficient charge injection in monolayer organic thin-film transistors on boron nitride,Science Advances 3, e1701186 (2017)),共同第一作者是南京大学博士后何道伟与中国人民大学博士研究生乔婧思,王欣然、施毅、季威教授为论文共同通讯作者。该研究得到科技部973计划,国家自然科学基金,江苏省双创等项目的资助。

(电子科学与工程学院 科学技术处)