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福建物构所有机场效应晶体管及其压力传感应用研究获进展

有机场效应晶体管是一类信号转换和信号放大功能优异的电子元器件,具有成本低、质量轻、柔性可折叠、可溶液加工等优点,在智能传感、生物医学检测、集成电路等领域具有广泛的应用前景。当前,如何实现低电压、低功耗的柔性高灵敏OFET压力传感器,对于发展人工电子皮肤、可穿戴设备等柔性电子器件具有重要意义。

在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的支持下,化学所有机固体院重点实验室的相关研究人员致力于分子材料和器件的研究,取得了一些新进展,引起了国际学术界的关注,并分别在Chem. Rev.Chem. Soc. Rev.上发表了综述。

必发官网,中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室郑庆东研究团队在国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金国际合作项目、中科院战略性先导科技专项、中科院前沿科学重点研究项目和副研究员尹志刚主持的中科院“青年创新促进会”、海西研究院春苗人才项目等资助下,成功实现了低电压、高灵敏的柔性OFET压力传感器。针对有机介电材料的局限性,构筑了介电常数可调的二元聚合物本体复合介电薄膜,使得柔性OFET的工作电压大幅降低、电学性能显著提升,并实现优异的循环弯曲稳定性(Organic Electronics, 2018, 53, 205)。最近,该团队与香港理工大学张阿平课题组合作,针对聚电解质介电材料迟滞严重、漏电大等问题,基于溶液加工的界面工程策略成功设计了垂直相分离结构的聚甲基丙烯酸甲酯/聚丙烯酸有机复合介电层。利用该类新型双层复合介电薄膜的高电容、低漏电特性,有效抑制了迟滞现象,并大幅提升柔性OFET的迁移率、开关电流比等电学性质和操作稳定性。基于该类综合性能优良的介电薄膜,发展了高性能的浮栅结构柔性OFET压力传感器,成功实现-5 V低电压下高达56.15 kPa-1的灵敏度,器件响应时间快,且具有良好的柔性和弯曲稳定性。相关成果近期发表于《先进科学》(Advanced Science, 2018, DOI: 10.1002/advs.201701041),该研究为低成本、低功耗、高灵敏的柔性压力传感器及其电子器件的设计和实际应用提供了有益思路。

在有机场效应晶体管中,介电层/半导体层界面状态对器件性能有重要影响。在目前OFET的界面研究中,诸多界面参数的计算和测量都是基于统计平均的方法。表面能作为一个重要的介电层/半导体界面影响因素,其均匀程度对器件性能的影响在此前的界面研究中长期被忽视,而对表面能非均性这一关键因素考量的缺失,也正是界面研究中众多争议产生的主要根源之一。该课题组在对介电层表面能非均匀性引起的一系列实验现象进行充分研究的基础上,通过实验证明了表面能非均匀性对有机场效应晶体管性能影响的广泛性,并且发现了表面能非均匀程度和有机场效应晶体管迁移率之间存在一种线性反比关系。相关研究成果发表在《先进材料》(Adv. Mater. 2011, 23, 1009-1014)上,并被选为插页(Frontispiece)。

此前,在光伏应用方面该团队设计并合成了系列p型聚合物给体材料、n型小分子受体材料以及电极界面层材料,研究了材料结构与器件光伏性能的构效关系,相关成果发表于Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1501493;Adv. Sci.2016, 3, 1500362;Adv. Mater., 2016, 28, 3359;Nano Energy, 2017, 33, 313;Chem. Mater., 2017, 29, 7942;Chem. Mater., 2017, 29, 9775等刊物上。

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论文链接

图1 介电层表面能非均匀性机理示意图和当期《先进材料》插页

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随后,该课题组的研究人员又在上述工作基础上,通过利用介电层表面能非均匀性对有机半导体层生长形貌进行控制和优化,制备出空穴迁移率高达3.6cm2/Vs的并五苯场效应晶体管,这是国际上已报道的并五苯柔性薄膜器件的最优结果之一。同时,研究人员又在这一高性能晶体管基础上,制备了高性能柔性环形振荡器,振荡频率超过1 kHz。相关研究成果在《先进材料》(Adv. Mater. 2011, 23, 3128-3133)上发表。

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图2 基于高性能并五苯场效应晶体管的五级柔性环形震荡电路

石墨烯是由碳原子六角结构紧密排列的二维单层石墨层,是构成其它维度碳材料如富勒烯、碳纳米管和金刚石的基本单元。如何制备高质量,大面积,形貌可控的石墨烯是石墨烯领域的核心问题,也成为国际上石墨烯研究的竞争点所在。化学气相沉积法由于具有成本低廉,可大规模制备等优点,近几年发展迅速,已经成为制备石墨烯的主要手段。该课题组采用CVD方法,选取金属铜作为催化剂,精确控制生长条件,成功地制备出形貌规则的六角石墨烯,并对其电学性质进行了深入研究。六角形貌石墨烯的发现极大的扩展了石墨烯领域的研究内容。相关研究内容发表在《先进材料》(Adv. Mater. 2011, 23, 3522-3525)上。

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图3 CVD方法制备的六角石墨烯AFM图和两种可能的边界排列