Adv. Mater. : 共轭聚合物中的电荷传输

【引言】

有机场效应晶体管（OFET）是单极型晶体管中的一种，即只有一种载流子参与导电的晶体管器件，是电场控制半导体导电的有源器件，可以通过调节输入电压来控制输出电流。近年来，以供体-受体（D-A）共聚物为代表的共轭聚合物以其无序固体中的显著高效获得了极大关注，有望取代众多领域（如有源矩阵显示）中应用广泛的基于聚硅和金属氧化物的技术。共轭聚合物的电荷传输可以仅限于很小的无序聚合区域，电学应用前景显著，因此对其传输性能的精准评估对于进一步优化模块设计至关重要，但现有通过传统的场效应晶体管的方法并不适用。

【成果简介】

韩国东国大学Yong Xu、Yong-Young Noh和国立中兴大学林彦甫（共同通信作者）等人对共轭聚合物中的电荷传输问题进行了研究，并于Adv. Mater.发表了题为“Exploring the Charge Transport in Conjugated Polymers”的研究论文。该研究团队以两种代表性的D-A共聚物——DPPT-TT和IDT-BT为模型聚合物，通过对传统的和平面的晶体管进行比较，探索了共轭聚合物中的电荷传输。之前报道的平面晶体管不含干扰性欧姆接触和双极性传导，适用于运输的探索。通过对肖特基势垒的定量分析表明，传统OFET中的空穴注入势垒强烈依赖于外部偏压，而平面器件由于p型掺杂得到大大改善。

【图文简介】

图1 用于传输研究的传统和平面聚合物晶体管的比较

(a,b) 传统聚合物OFET的器件结构和能带图

(c,d) 平面聚合物OFET的器件结构和能带图

(e) DPPT-TT 和IDT-BT的分子结构

图2  传统聚合物OFET的肖特基势垒分析

(a)/(e) 两种聚合物的传统OFET输出特性曲线

(b)/(f) 两种聚合物热电子发射模型的线性拟合

(c)/(g) 空穴有效的肖特基势垒对漏极电压(V_D)作图

(d)/(h) 栅极电压(V_G)镜像力势垒降低的线性拟合(V_D的影响可忽略不计)

 图3 平面聚合物OFET的肖特基势垒分析

(a)/(c) 不同温度下两种聚合物的平面OFET输出特性曲线

(b)/(d) 空穴有效的肖特基势垒对漏极电压(V_D)作图

图4 传统聚合物OFET的传输测试

(a)/(e) 两种聚合物传统OFET分别在线性条件(V_D = -1 V)和饱和条件下(V_D = -100 V)的传输特性曲线

(b)/(f) 线性/饱和条件下低场和场效应迁移性Arrhenius曲线

(c)/(g) 典型传输特性曲线

(d)/(f)  γ对1000/T的线性拟合

图5 平面聚合物OFET的传输测试

(a,b)/(e,f) 两种聚合物平面OFET分别在线性条件(V_D = -1 V)和饱和条件下(V_D = -100 V)的传输特性曲线

(c) 线性/饱和条件下低场和场效应迁移性Arrhenius曲线

(d) γ对1000/T的线性拟合

【小结】

该研究探索了新型共轭聚合物中的电荷传输，发现受到外在影响的传统晶体管存在一定问题。相比之下，不存在外在影响的平面晶体管显示出较高可靠性和稳定性。由于横向场的能量障碍降低，只有在低场条件下的操作能够揭示更多本征传输。实验结果显示几个问题阻碍了有机器件的发展，如肖特基势垒和非理想器件特征。除此之外，该文为迫切需要的电荷传输探索提供了准确框架，以期能够进一步理解复杂的聚合物体系，进而开发新的半导体聚合物以用于柔性电子器件领域。

文献链接：Exploring the Charge Transport in Conjugated Polymers. (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702729)

本文由材料人编辑部肖杰编译，丁菲菲审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！