天津大学Advanced Materials:基于N型二维有机单晶的高性能场效应晶体管和近红外光电晶体管

【成果简介】

有机场效应晶体管和近红外光电晶体管因其在逻辑电路、夜视、健康检测和红外成像等各个领域都具有巨大的应用潜力，在过去几十年来受到了全世界众多研究者的特别关注。通常来说，敏感度（光信号区别于暗态信号）是评价一个近红外晶体管性能的重要指标。为了获得一个较高的敏感度和保证理想的晶体管行为，提高晶体管的载流子迁移率和降低暗电流通常是行之有效的方法。相较于传统的无机红外光电晶体管材料来说，π共轭有机半导体具有廉价、质轻、兼容柔性制备过程和快速室温溶液加工等众多优势。然而当前的研究瓶颈问题主要有两点：1、具有场效应迁移率超过1 cm²  V^-1s^-1 的窄带隙近红外材料并不多；2、窄带隙近红外材料因为热激发在黑暗条件下通常较高载流子密度从而暗电流高居不下。因此，开发出同时兼具较高场效应迁移率和超低暗电流的近红外有机光电晶体管就显得尤为重要。超薄二维有机单晶恰好具备了以上两点优势：一是长程有序无晶界的单晶，有利于制备高电子迁移率的场效应晶体管；二是仅有几个分子层的超薄沟道，在阈值电压附近可以处于完全耗尽层从而使暗电流得以降低。

近日，天津大学胡文平教授和张小涛副研究员（共同通讯作者）课题组基于本组开发的“溶液外延”生长方法，成功制备了一种在830 nm近红外波段具有很强的吸收的呋喃噻吩醌式样品（TFT-CN）的N型有机二维单晶。制备出的二维晶体最大尺寸可达毫米级别而厚度仅有4.8 nm，对应2~3个分子层。经过粉末X-射线衍射、偏光显微镜、选区电子衍射等表征，证明了毫米级别的超薄TFT-CN晶体为一整块单晶并且没明显有晶界的存在。以TFT-CN二维有机单晶同时作为吸光层和导电沟道制备而成的有机近红外光电晶体管显示出了非常优异的性能。晶体管的场效应电子迁移率最高为1.36 cm²  V^-1s^-1，平均为1.04 cm²  V^-1s^-1，开关比可达10⁸。与此同时，光电晶体管在830 nm近红外激光下的响应度（R）和外量子效率（EQE）非常高，分别为9×10⁴ A W^-1和4×10⁶ %。更重要的是，通过与较厚的微纳晶进行对比，基于二维单晶的近红外光电晶体管在阈值电压附近操作时显示出了超过6×10¹⁴ Jones的超高探测度（D*）和更低的暗电流（0.1 pA）。这也说明了这种高敏感的二维单晶有机近红外光电晶体管有着巨大的潜在应用价值。

研究成果以题为“N-type Two-dimensional Organic Single Crystals for High Performance Organic Field-effect Transistors and Near-Infrared Phototransistors”发布在国际著名期刊Advanced Materials上，并被选为Frontispiece，第一作者为天津大学理学院博士生王聪。

【图文导读】

图1. TFT-CN二维单晶的光学显微镜表征

a)TFT-CN二维单晶的光学显微镜照片；（b-d）TFT-CN二维单晶的偏光显微镜照片，颜色的均一变化证明了整个单晶取向相同没有晶界。

图2. TFT-CN二维单晶的晶体堆积方式的表征。

（a）TFT-CN二维单晶的粉末XRD衍射谱与单晶XRD衍射谱对照证明晶体c轴垂直于基底生长；

（b）TFT-CN二维单晶的原子力显微镜表征，证明晶体厚度仅为4.8 nm；

（c-f）TFT-CN二维单晶的透射电子显微镜表征和大范围的选区电子衍射花样证明在一个很大范围内晶体质量较高而且取向一致没有晶界；

（g-h）晶体的单晶结构和分子间距。

图3. TFT-CN二维单晶基N型场效应晶体管性能。

（a）TFT-CN二维单晶基晶体管示意图，插图为沟道的光学显微镜照片；

（b）典型的TFT-CN二维单晶基晶体管转移曲线和漏电流曲线；

（c）24个TFT-CN二维单晶基晶体管器件的迁移率分布图；

（d）典型的TFT-CN二维单晶基晶体管线性区输出曲线，证明了电极与半导体之间的良好的接触和较低的注入势垒。

图4. TFT-CN二维单晶基红外光电晶体管性能。

（a）TFT-CN二维单晶基红外光电晶体管示意图；

（b）暗态和不同强度的808nm激光下晶体管的转移曲线 （1P=1 μW cm^-2）；

（c）阈值电压移动和源漏电流与光强之间的线性关系；

（d）暗态和179.5μW cm^-2 的808nm激光下晶体管的输出曲线；

（e）饱和区和耗尽区的响应度与光照强度的线性关系；

（f）饱和区和耗尽区的敏感度和归一化探测度与光照强度的关系，其中器件在耗尽区附近运行时（V_GS=-2V）和179.5μW cm^-2 的808nm激光下，敏感度最大达到5×10⁵，归一化探测度最大6×10¹⁴ Jones。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201706260

本文由天津市分子光电科学重点实验室供稿。

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