张关心&张德清Adv. Mater：光可编程热可擦存储器后的光/热响应的场效应晶体管

【研究背景】

在过去的几十年里，由于各种共轭分子和大分子的设计和合成以及对自组装和界面结构的控制，高电荷迁移率的有机和聚合物半导体得到了迅速发展。P沟道和N沟道场效应晶体管（FETs）的性能现在与传统的非晶硅FETs媲美甚至更高。人们正在不断探索新的共轭分子和大分子，以提高FETs的性能。同时，近年来通过除电场以外的外部刺激（例如光照射和加热）来调节半导体特性的刺激响应性有机半导体材料越来越受到关注。同时，还已经研究了具有有机和聚合物半导体的FETs用于非易失性存储器件，设计了不同的技术来实现电荷存储并因此实现存储功能。

【成果简介】

近日，北化所张关心副研究员与张德清研究员共同报道了掺入光致变色的六芳基咪唑化合物（p-NO₂-HABI）后，PDPP4T（聚（二酮吡咯并吡咯-四噻吩））场效应晶体管（FETs）的半导体性能可以通过紫外光照射和热加热实现可逆调谐，成功制备了PDPP4T与p-NO₂-HABI混合薄膜的光/热响应FETs。紫外光照射后，在v_g=0 V时，电流增大到10⁶倍，传输特性明显改变。然而，进一步加热会导致传递曲线的恢复。该方法可推广到其它半导体聚合物，如P3HT（聚3-己噻吩）、PBTTT（聚2,5-双（3-十四烷基噻吩-2-基）噻吩）和PDPPDTT（聚二酮吡咯二硫代噻吩）。假设紫外光照射后p-NO₂-HABI形成的TPIRs（2,4,5-三苯基咪唑基）能与栅-介电-半导体界面和半导体层中的电荷缺陷相互作用，在半导体沟道中诱导更多的空穴载流子。进一步证明了PDPP4T和p-NO₂-HABI的混合薄膜在制备光可编程和热可擦除FET基非易失性存储器器件方面的应用，该器件在i）高开关电流比方面具有优势，ii）低电偏压下的无损读数，以及iii）相当高的稳定开关状态。该文章近日以题为“Photo-/Thermal-Responsive Field-Effect Transistor upon Blending Polymeric Semiconductor with Hexaarylbiimidazole toward Photonically Programmable and Thermally Erasable Memory Device”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一、HABIs的结构示意图

a）HABIs的化学结构及其光致变色行为；b）PDPP4T的结构；c）底栅底接触OFET器件结构。

图二、HABI的化学结构的光谱研究

p-NO₂-TPIRs的吸光度在359 nm处衰减，p-CF₃-TPIRs的吸光度在343 nm处衰减，TPIRs的吸光度在349 nm处衰减。

图三、p-NO₂–HABI薄膜的光照行为

p-NO₂-HABI薄膜在UV照，然后在100℃加热20 s前后的UV和ESR光谱。

图四、传输特性的变化

在紫外辐照和后续热处理条件下，PDPP4T和p-NO₂-HABI共混薄膜在10% wt%时FET转移曲线的变化。

图五、器件性能

（a-b）PDPP4T/p-NO₂-HABI混合薄基膜OFET的存储器设备的WRER循环和保留特性。

【结论展望】

综上所述，作者报告可逆调与PDPP4T FET的半导体性能，通过UV光照射和热力加热新的简便方法p-NO₂-HABI，对于其中相应的TPIR自由基示出合理的良好的稳定性，因为吸电子NO₂的掺入。在紫外线照射下，PDPP4T和p-NO₂-HABI共混物薄膜场效应晶体管在V_G=0 V处观察大的电流增强高达10⁶倍，此外，转移特性发生了显着变化。但是，器件电流下降到初始值，并且在连续加热100°C之后恢复了传输曲线。令人高兴的是，这种方法可以扩展到其他半导体聚合物，例如P3HT，PBTTT和PDPPDTT。作者假设，从形成在TPIRs p-NO₂-HABI UV光照射后可以在栅极电介质-半导体界面电荷缺陷相互作用诱导的器件性能的变化。值得注意的是，作者成功地证明了PDPP4T的共混物薄膜和p-NO₂-HABI（10 wt％）可用于制造基于光子可编程和热可擦除FET的非易失性存储器件，具有以下优点：i）高开/关电流比，ii）低电偏压下的无损读数，以及iii）较高的稳定导通状态和截止状态。

文献链接：Photo-/Thermal-Responsive Field-Effect Transistor upon Blending Polymeric Semiconductor with Hexaarylbiimidazole toward Photonically Programmable and Thermally Erasable Memory Device (Adv. Mater. 2019, 1902576)

本文由大兵哥供稿。

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