李立强课题组揭秘有机晶体管的失稳驱动力-界面应力

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4月14日，天津大学分子聚集态科学研究院李立强教授团队在国际权威期刊《Science Advances》在线发表研究成果，揭秘有机晶体管的失稳驱动力（Sci. Adv.2021, 7, eabf8555；DOI: 10.1126/sciadv.abf8555）。
        有机场效应晶体管（OFET）作为最重要的有机电子元器件之一, 在柔性显示、电子皮肤、可穿戴设备、智慧医疗、射频标签、柔性存储等领域具有广阔的应用前景。经过三十多年的发展，有机场效应晶体管的电学性能（迁移率等参数）与相关加工工艺等方面已取得巨大进步，但该领域仍未实现实用化，稳定性是制约实用化的关键瓶颈（“硬骨头”）问题，也是该领域被质疑是否有应用前景的关键问题。
       传统观点认为化学结构衰变是半导体材料和器件老化的主要原因，因而人们开发了很多高化学稳定性的有机场效应半导体材料。但基于这些材料构筑的晶体管器件仍然存在稳定性问题，人们逐渐发现半导体材料物理聚集态结构失稳演变是有机晶体管器件老化的主要原因，但发生聚集态结构失稳演变的内在机制（内在驱动力）仍不清晰，进而难以开发出有效提升材料稳定性的方案，直接制约了有机场效应半导体材料与器件的实用化进程。

图1 有机场效应晶体管器件的电学性能、化学结构以及聚集态结构的演变

       探索聚集态结构失稳演变的内在机制需要精准表征材料内电荷输运层及其邻近材料的结构信息，并将结构信息与电输运性质相关联。在晶体管器件中，电荷输运层位于半导体层与介电层之间的界面，只有几个纳米厚，通常被包埋在半导体层内。而常规的表征手段主要得到材料体相的结构信息，难以表征被包埋在界面处的电荷输运层与介电层表面的结构信息，如果将体相的结构信息与界面电荷输运性质直接关联起来，难以得到可信的材料与器件老化的微观机制。

图2 和频共振光谱技术表征有机场效应晶体管界面分子构象的演变过程

        针对上述科学与技术难题，天津大学李立强教授团队采用和频共振光谱（Sum Frequency Generation Spectrascopy，图3左上）技术表征了有机场效应晶体管中半导体/介电层界面的分子构象演变过程，并探究了其对半导体材料聚集态结构稳定性的影响。通过跟踪和频光谱内甲基（CH3）和亚甲基（CH2）的共振峰强度的变化发现：当有机场效应半导体材料分子沉积到介电层表面时，表面自组装单分子层（octadecyltrichlorosilane，ODTS）中的烷基链会发生弯折，弯折的烷基链是一种受限态，会形成界面应力。该应力在保存过程中通过烷基链的再伸展逐渐释放，释放的应力能够产生足够的能量，进而诱导半导体材料发生无序化相变和形貌改变（图3过程i-iii），最终导致材料的老化和器件性能的衰减（图2d，f）。
       本项工作采用和频共振光谱技术揭示了在有机场效应半导体材料界面存在一种新型的分子构象诱导的界面应力，证明了该应力是材料老化（聚集态结构失稳演变）和器件性能衰减的主要内在原因，深化了对有机场效应半导体材料与器件稳定性的认知，为提升器件稳定性提供了理论支撑。
       文章链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/16/eabf8555


       文章来源：天津大学
       李立强，天津大学教授。2018年6月加入天津大学分子聚集态科学研究院，2002年和2005年在南开大学获得学士和硕士学位，2008年在中科院化学研究所获得博士学位，2008年至2014年在德国明斯特大学物理所从事博士后研究工作，2014年在中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所工作。主持和参与国家自然科学基金面上和重点项目、科技部重点研发计划、中科院前沿科学重点研究项目等。以第一或通讯作者在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Mater. Horiz.等期刊上发表论文28篇，与他人合作发表文章30余篇。