北大裴坚教授和雷霆研究员Adv. Mater.：高性能的晶圆级n型聚合物单分子层晶体管首次问世

【引言】

二维材料在光电器件、生物/化学传感器、催化和储能领域有着广泛的应用，越来越引起研究人员的兴趣。它们超薄的特点赋予其独特的物理和化学性质，例如超高的载荷子迁移率和量子霍尔效应等。目前，有机功能薄膜可以大规模进行制备，而二维有机单分子层却很少被实现。二维有机单分子层由于厚度较小且均一，可能实现均一的大面积加工和较低的接触电阻。空穴迁移率达3 cm² V⁻¹ s⁻¹的聚合物单分子层场效晶体管已经被文献报道。n型共轭聚合物的种类少且空气稳定性不高，制备高性能的n型聚合物单分子层晶体管仍具有一定的挑战性。和p型聚合物相比，之前报道的n型聚合物单分子层场效晶体管的迁移率低1-2个数量级。因此，大面积加工高性能的n型聚合物单分子层晶体管具有重要的研究意义。

【成果简介】

近日，北京大学的裴坚教授和雷霆研究员（共同通讯作者）报道了通过共轭聚合物的多级自组装策略来实现大面积加工聚合物单分子层，并获得了高性能的n型聚合物晶体管。由于聚合物的自组装过程主要在溶液中进行，二维聚合物单分子层能轻松地沉积在不同的基底上，理论上没有尺寸的限制。聚合物单分子层晶体管的电子迁移率在n型单分子层有机晶体管中为最高值，可达1.88 cm² V⁻¹ s⁻¹。该方法可以轻松地制备晶圆级、高均匀性、低接触电阻、晶体管性能优异的n型共轭聚合物单分子层。他们的工作提供了一种“从下而上”的方法来制备大规模、均匀的二维聚合物单分子层，使共轭聚合物在晶圆级的精密电子设备上的应用成为可能。这项工作发表于Advanced Materials上，第一作者是北京大学博士研究生姚泽凡。

【图文导读】

图1.共轭聚合物的多级自组装过程

a.共轭聚合物分子链

b.一维蠕虫状组装体

c.聚合物组装体的进一步生长

d.网络状组装体

e.基底上的二维单分子层网络

图2.晶圆级二维聚合物单分子层网络

a.共轭聚合物的分子结构

b.聚合物分别在氯苯/氯仿溶液、氯仿溶液、氯仿/二氯甲烷溶液中的吸收光谱

c.浸涂设备实物图

d.沉积的聚合物薄膜的AFM高度图

e.聚合物在0.005 mg mL⁻¹的氯仿溶液中和薄膜的吸收光谱

f.聚合物薄膜的吸光度和对应的厚度

g.4英寸晶圆级SiO₂/Si基底上的聚合物单分子层薄膜

图3.薄膜内的分子排列模式

a.聚合物薄膜的二维GIWAXS图

b.平面外和平面内的一维GIWAXS曲线

c.垂直基底方向上聚合物单分子层的电子密度图

d.聚合物分子的“edge-on”排列模式

图4.薄膜晶体管及其电荷传输性能

a.4英寸晶圆上的薄膜晶体管及其器件结构示意图

b.薄膜晶体管的转移特性曲线

c.薄膜晶体管的输出特性曲线

d.薄膜晶体管的开关稳定性曲线

e.聚合物单分子层薄膜和多分子层薄膜的晶体管迁移率及其分布

f.不同位置的薄膜晶体管的电子迁移率

g.本工作与文献中报道的n型聚合物单分子层晶体管性能

h，i.旋涂的多分子层和浸涂的单分子层的接触电阻

j，k.单分子层薄膜晶体管和多分子层薄膜晶体管的肖特基势垒高度

图5.共轭聚合物的多级自组装

a.聚合物的3 mg mL⁻¹氯仿溶液的小角中子散射曲线

b.氯仿溶液中聚合物呈现一维蠕虫状的分子组装模型

c.分子模拟的单根聚合物分子链在溶液中的构象

d,e.聚合物溶液冻干后的AFM高度图（d）和TEM图（e）

f.聚合物在溶液中的自组装过程

【小结】

作者团队通过控制共轭聚合物的多级自组装过程制备了晶圆级、均匀的二维聚合物单分子层膜。通过自组装过程，溶液中聚合物的一维蠕虫状组装体进一步生长为网络状组装结构，且在基底上沉积为二维单分子层网络。从溶液出发的聚合物自组装过程是二维单分子层网络具有高均匀性的根本原因。晶圆级的聚合物单分子层晶体管表现出优异的电荷传输性能和空气稳定性。聚合物单分子层场效应晶体管的电子迁移率可达1.88 cm² V⁻¹ s⁻¹，且表现出较低的接触电阻和肖特基势垒。这项工作能进一步促进共轭聚合物在低成本的、大规模的复杂电子设备中的实际应用。

文献链接：Wafer‐Scale Fabrication of High‐Performance n‐Type Polymer Monolayer Transistors Using a Multi‐Level Self‐Assembly Strategy（Adv. Mater.，2018，DOI：10.1002/adma.201806747）

附加：

1.团队介绍：

雷霆，北京大学工学院特聘研究员，博士生导师。

2018年获中共中央组织部“青年千人”计划支持。主要研究方向为有机高分子功能材料和其在电子、能源和环境科学中的应用研究。个人主页：www.coe.pku.edu.cn/jzyg/qbjylb/876505.htm

裴坚，北京大学化学与分子工程学院教授，博士生导师。目前主要研究方向：有机高分子电子学材料的合成、组装、表征及器件化。课题组主页：www.chem.pku.edu.cn/pei/

2.团队在该领域的工作汇总：

2017年，裴坚课题组报道使用中子散射与冷冻技术研究溶液中共轭聚合物聚集结构，相关工作发表于Adv. Mater.。Unraveling the Solution-State Supramolecular Structures of Donor–Acceptor Polymers and their Influence on Solid-State Morphology and Charge-Transport Properties, Advanced Materials, 2017, 29, 1701072. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201701072

本文由材料人编辑部kv1004供稿，材料牛整理编辑。感谢博士研究生姚泽凡对本文进行校稿！