苏州大学揭建胜团队Adv. Funct. Mater.：通过阻挡电子注入来改善p型有机场效应晶体管的理想性

【引言】

自1986年第一个基于有机半导体材料的场效应晶体管被报道以来，有机场效应晶体管（OFET）在化学、物理、材料以及微电子领域都得到了研究人员的广泛关注。在器件应用方面，OFET被认为是未来有机柔性集成器件的基本构成单元，可广泛应用于柔性智能芯片、低成本射频标签、有机有源矩阵显示等领域。在基础研究方面，OFET是研究有机单晶半导体电学特性以及有机电子学的基础器件。OFET器件迁移率已经从最初10^-5 cm² V^-1 s^-1发展到目前超过30 cm² V^-1 s^-1，且OFET作为一种器件测试结构也被用来评估有机半导体迁移率，其场效应迁移率通常是由电流-电压特性推导得出，并假设该电流-电压关系遵从传统FET中肖克利渐进沟道近似（GCA）模型。然而，在实际器件测试中，得到的用来提取迁移率的电流-电压关系并非标准线性曲线，该现象称为OFET的非理想行为。若将肖克利公式直接套用于非理想型器件迁移率提取时，可能会导致迁移率被错误估算。近年来，OFET中的非理想行为引起了研究人员的广泛关注，因此，构建具有理想工作特性的OFET对正确评价有机半导体性能，以及促进其实际应用具有重要意义。

【成果简介】

近日，苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）揭建胜教授团队首次报道了一种采用宽禁带有机半导体（OSC）修饰半导体-电极接触界面的策略，用于制备接近理想特性的基于p型窄禁带材料的OFET器件。通过在电极接触区插入一层超薄的宽带隙OSC层，可以有效地阻止p型OFET中的电子注入过程（该过程会造成器件出现双斜率型的非理想行为）。因此，由电子注入以及注入后被捕获引起的偏压不稳定和双斜率的非理想行为可以得到有效抑制。以基于dif-TES ADT晶态薄膜的OFET为研究对象，他们成功地将器件的非理想特性转化为近理想特性，并且显著改善了器件的电学稳定性。这种宽禁带修饰方法表现出良好的普适性，为具有理想特性的OFET的制备提供了新的思路。该成果以题为“Improving Ideality of P-Type Organic Field-Effect Transistors via Preventing Undesired Minority Carrier Injection”发表在了Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1 dif-TES ADT基OFET中电子注入和捕获效应诱导的双斜率非理想行为

a）dif-TES ADT（左）和PS（右）的分子结构。

b）涂布技术制备的dif-TES ADT微米带的偏光显微图像。

c）本研究中使用的底栅顶接触结构OFET示意图。

d）器件中各组分能带结构示意。

e）不期望的电子注入过程。

f）器件的典型双斜率非理想行为。

g）dif-TES ADT基OFET器件迁移率可靠性分布。

h）电子注入和捕获效应引起的转移曲线正漂移。

图2 电极-半导体界面插入宽禁带修饰层的dif-TES ADT器件特性

a）宽禁带层修饰器件的示意图。图左为宽禁带分子的结构。

b）沉积1 nm-MoO₃前后C10-BTBT的S 2p峰的XPS光谱，插图显示了C10-BTBT和MoO₃之间的电荷转移。

c）电子阻挡和空穴注入过程的能级图。

d，e）在电极接触区域中用10 nm-C10-BTBT修饰的dif-TES ADT基OFET的d）接近理想的转移曲线和e）相应的与栅极无依赖性的g_m。

f，g）在不同栅压扫描范围内提取的10 nm-C10-BTBT修饰器件的电流-电压特性曲线

h）10 nm-C10-BTBT修饰后器件的迁移率可靠性分布

i）不同厚度C10-BTBT修饰层器件的平均阈值电压偏移量和可靠性变化

图3 dif-TES ADT微米带上不同厚度的C10-BTBT层的覆盖表征

a-c）不同厚度宽禁带层修饰后微米带的形貌表征。比例尺：3 µm。

d-f）不同厚度宽禁带层修饰后微米带的元素分析。

图4 dif-TES ADT基OFETs的空穴注入势垒比较

a）本征，c）10 nm-C10-BTBT修饰的和e）20 nm-C10-BTBT修饰的在不同温度下的输出特性曲线。

b）本征，d）10 nm-C10-BTBT修饰的和f）20 nm-C10-BTBT修饰的器件根据阿仑尼乌斯公式拟合所得的空穴注入势垒值。

图5 阻挡电子注入提高器件理想特性策略的普适性实验

a）宽禁带修饰材料以及窄禁带主体材料的能级图。

b,c）dif-TES ADT器件在修饰10 nm-C8-BTBT后的稳定转移特性曲线和无栅压依赖性的g_m。

d,e）TIPS-pen器件在修饰10 nm-C10-BTBT后的接近理想的转移特性曲线和g_m。

【小结】

综上所述，该团队提出了一种简便的改善p型有机场效应晶体管非理想行为的有效方法。通过在半导体-电极界面引入能带合适的宽禁带修饰层，可以有效阻止p型窄禁带小分子OFET中的电子的注入，显著改善由此引起的非理想两段斜率行为和电学不稳定性。在dif-TES ADT微米带的OFET中，使用宽禁带层修饰后，迁移率的平均可靠性可以从65.11%大幅提高至91.76%，曲线的漂移现象也得了有效抑制。这种方法具有良好的普适性，为促进理想器件的实际应用提供了新的思路。

文献链接：Improving Ideality of P-Type Organic Field-Effect Transistors via Preventing Undesired Minority Carrier Injection（Adv. Funct. Mater.，2021，DOI: 10.1002/adfm.202100202）

【通讯作者简介】

揭建胜，苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）教授。2020年入选国家百千万人才工程，2014年获国家自然科学优秀青年基金，2008年入选教育部新世纪优秀人才。

主要从事有机单晶光电材料制备、性能调控以及高性能光电器件的研究。在Nature Commun.、Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano等在内的国际重要刊物发表论文220余篇，其中IF>10的论文70余篇，论文SCI引用9700余次，H因子=55，其中21篇论文引用超过100次，15篇论文入选ESI高被引论文。多篇论文入选最多下载与年度热点，并有10余篇论文被“Nature Materials”、“Nature China” 、“Materials Views”、“NPG Asia Mater.”等期刊与网站作为亮点专题报道。申请发明专利30项，已授权15项。任Journal of Physics: Materials、Materials Research Express以及中国化学快报编委。多次应邀在国际学术会议上进行汇报、担任分会及大会主席。主持了包括国家重大研究计划（973计划）课题、国家优秀青年基金项目、国家自然基金重大研究计划培育项目等在内的10余项国家级基金。2018年作为研究骨干参加国家基金委“有机/无机复合光电功能体系的构筑、界面调控及相关器件”创新研究群体。研究成果获江苏省科学技术一等奖（第一完成人）、安徽省自然科学二等奖（第二完成人）等奖励。

课题组主页：http://www.jjs-group.com/

（1）团队介绍

揭建胜教授团队致力于：（a）有机半导体及其高性能光电器件的研究，包括高迁移率有机半导体材料的合成、有机半导体微纳晶态材料图案化阵列的生长及其器件应用；（b）有机-无机杂化钙钛矿材料及其光电子器件的研究，包括有机-无机杂化钙钛矿微纳单晶的制备、组装及其光电器件的应用；（c）基于有机单晶光电材料的新型光电子器件的研究，包括柔性图像传感、仿神经元器件、单晶集成功能器件等。

团队在该领域工作汇总:

揭建胜教授团队以具有优异光电性能的有机小分子半导体材料为研究对象，从有机单晶材料的大面积有序生长和界面调控出发，瞄准高性能光电器件及其集成器件应用的目标，取得一系列创新性成果：（1）创新性提出了表面微结构辅助生长的新策略，实现了有机单晶光电材料的大面积图案阵列化生长。相关工作发表在Adv. Mater. 2015, 27, 7305后迅速被Nature Materials以“Fast crystal patterning”为题进行了亮点报道。此外，进一步发展了一种新型的微沟道限制弯液面自组装方法，实现了晶圆级、尺寸均匀、取向一致的有机单晶阵列生长。相关研究工作发表于Adv. Mater. 2021, 33, 2005915、Adv. Mater. 2020, 32, 2003315、Mater. Today 2019, 24, 17、Adv. Mater. 2016, 28, 2475、Nano Lett. 2017, 17, 8482 等期刊。同时，该方法也适用于多组分有机单晶如p-n结阵列的制备，以及柔性基底上单晶阵列的生长，系列工作发表于Adv. Mater. 2018, 30, 1800187、Adv. Mater. 2020, 32, 1908340、Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1902494、Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 4797；（2）提出了界面修饰有效改善器件可靠性和稳定性的创新方法，并系统揭示了空气中水氧等因素对有机单晶场效应晶体管持续光电导以及器件理想性的影响，通过界面修饰，实现了高性能以及高理想性的有机单晶场效应晶体管（Adv. Funct. Mater. 2021, DOI: 10.1002/adfm.202100202、Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1906653、Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905657、Nanoscale Horiz. 2020, 5, 454）；（3）提出了利用光生载流子存储效应有效提高有机单晶场效应光电晶体管（Memory Phototransistors）灵敏度的新方法，突破了传统光电晶体管灵敏度受光电转换幂定律的限制（Nat. Commun. 2019, 10, 1294），构筑了高集成度的有机单晶场效应晶体管阵列，为满足有机单晶体阵列在逻辑电路、可寻址传感器等高集成度器件中的应用创造了条件（Mater. Today 2020, 40, 82、Small 2017, 13, 1604261、Adv. Electron. Mater. 2016, 10, 1002、Small Methods 2018, 2, 1700340）。在此基础上，进一步拓展了有机单晶场效应晶体管在可寻址图像传感器和新型模拟人工视觉感知系统中的应用（ACS Nano, 2019, 13, 9、NPG Asia Mater. 2019, 11, 77、Adv. Mater. Tech. 2017, 2, 1600280）。

（2）相关优质文献推荐

Wei Deng, Yanling Xiao, Bei Lu, Liang Zhang, Yujian Xia, Chenhui Zhu, Xiujuan Zhang, Jinghua Guo, Xiaohong Zhang, and Jiansheng Jie*, “Water-Surface Drag Coating: A New Route Toward High-Quality Conjugated Small-Molecule Thin Films with Enhanced Charge Transport Properties”, Adv. Mater. 2021, 33, 2005915.

Wei Deng, Jiansheng Jie*, Xiuzhen Xu, Yanling Xiao, Bei Lu, Xiujuan Zhang, and Xiaohong Zhang*, “A Microchannel-Confined Crystallization Strategy Enables Blade Coating of Perovskite Single Crystal Arrays for Device Integration”, Adv. Mater. 2020, 32, 1908340.

Wei Deng, You Lv, Xiali Zhang, Xiaochen Fang, Bei Lu, Zhengjun Lu, and Jiansheng Jie*, “High-Resolution Patterning of Organic Semiconductor Single Crystal Arrays for High-Integration Organic Field-Effect Transistors”, Mater. Today 2020, 40, 82.

Jinwen Wang, Xiaofeng Wu, Jing Pan, Tanglue Feng, Di Wu, Xiujuan Zhang, Bai Yang, Xiaohong Zhang and Jiansheng Jie*, “Graphene‐Quantum‐Dots‐Induced Centimeter‐Sized Growth of Monolayer Organic Crystals for High‐Performance Transistors”, Adv. Mater. 2021, 33, 2003315.

Xiujuan Zhang, Jian Mao, Wei Deng, Liming Huang, Xiaohong Zhang, Shuit-Tong Lee, and Jiansheng Jie*, “Precise Patterning of Laterally Stacked Organic Microbelt Heterojunction Arrays by Surface-energy Controlled Stepwise Crystallization for Ambipolar Organic Field-effect Transistors”, Adv. Mater. 2018, 30, 1800187.

（3）博士后招聘

具有物理、材料、微电子或化学博士学位，能够独立开展研究工作，并具有良好的英文写作与交流能力；易于沟通，可以协助指导研究生。研究方向：

（a）有机半导体材料合成，主要涉及在场效应晶体管中应用的有机小分子半导体材料的合成；

（b）有机半导体微纳晶态材料图案化阵列的组装及其器件应用（场效应晶体管和光电探测器等）；

（c）有机-无机杂化钙钛矿微纳单晶的制备、组装及光电器件应用；

（d）理论模拟：第一性原理计算、流体力学模拟。

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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