高性能薄膜晶體管：有機電子的前景將更光明！

知識 03-01

背景

我們生活中遇到的大多數電子器件，通常都是由無機材料例如硅製成，屬於無機半導體器件。可是，由於僵硬、易碎、成本高、工藝複雜、生物相容性差等諸多弊端，傳統硅基半導體面臨著嚴峻的挑戰。此外，硅基半導體的製造工藝也正在逼近物理極限。

（圖片來源：維基百科）

因此，世界各國的科學家們正在研製各種新型電子器件來克服這些弊端，進一步提升電子器件的性能，拓展其應用場景。近年來，一種新型電子器件備受科學家們的追捧，它就是由有機半導體材料製成的有機電子器件。有機電子器件不僅具備良好的柔韌性與透明性，而且超薄、超輕、對環境友好。這些材料可通過簡單、環保、低成本的工藝進行加工，例如製作成溶液後大面積列印。

這些更加柔韌、輕薄、便攜、透明的有機電子產品，可以應用於諸多領域，例如柔性太陽能電池、柔性顯示器、柔性感測器、柔性可穿戴設備、植入式設備等。其中，有機發光二極體（OLED）便是一個成功商用的典型案例，最新一代的智能手機已經開始採用OLED顯示屏。

位於織物上的有機發光二極體（圖片來源：KAIST）

左：柔性太陽能電池（由Epishine AB提供）、中：電子紙（中）、右：壓電織物（圖片來源：Johan Bodell/查爾姆斯理工大學）

植入血管中的有機感測器（圖片來源：香港大學）

有機的互補式電化學邏輯電路（圖片來源：Thor Balkhed）

有機的熱電晶體管（圖片來源：Thor Balkhed）

有機薄膜晶體管（圖片來源： Rob Felt，喬治亞理工學院）

創新

今天，筆者要為大家介紹有機電子領域的一項新進展。

近日，日本東京工業大學材料科學與工程系 Tsuyoshi Michinobu 和 Yang Wang 領導的研究團隊，報告了一種具有世界領先的電子遷移率性能的單極n型晶體管。他們採用了一種新方法來提升之前被證明很難優化的半導體聚合物電子遷移率。他們的高性能材料實現了達 7.16 cm2 V?1 s?1的電子遷移率，相比於之前可比的成果提升了40%以上。

研究人員在製造薄膜晶體管。左：Tsuyoshi Michinobu；右：Yang Wang。（圖片來源：東京工業大學）

《Journal of the American Chemical Society》期刊上發表的論文表明，他們專註於提升所謂的「n型半導體聚合物」材料的性能。n型材料以帶負電的電子導電為主；相對而言，p型材料以帶正電的空穴導電為主。Michinobu 解釋道：「因為與帶正電的原子團相比，帶負電的原子團天生就是不穩定的，所以製造穩定的n型半導體一直是有機電子領域的一個重要挑戰。」

（圖片來源：參考資料【2】）

技術

然而，這項研究既應對了基本挑戰，也滿足了實用的需求。Wang 表示，例如，許多有機太陽能電池，就是由p型半導體聚合物和n型富勒烯衍生物製成的。缺點就是，後者成本高，難以合成，不兼容柔性器件。他說：「為了克服這些缺點，高性能的n型半導體聚合物非常有希望能夠推進全聚合物太陽能電池方面的研究。」

團隊的方法包括採用一系列新型聚合（benzothiadiazole-naphthalenediimide）衍生物，以及微調材料的骨幹構象。這種方法可以通過引入「1,2-亞乙烯基橋（vinylene bridges）」來實現。之前的研究表明，這種結構被認為是一種有效的間隔物，而這種間隔物卻從來沒有在這項研究所關注的聚合物中使用過。它能與相鄰的氟原子和氧原子形成氫鍵。引入這些「1,2-亞乙烯基橋」需要可以優化反應條件的重要技術。

總體來說，生成的材料具有更好的分子包裝次序以及更高的強度，這有利於提升電子遷移率。

採用掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）等技術，研究人員確認他們實現了極短的「π?π堆疊距離（stacking distanc）」，僅為3.40埃米（一埃米為十分之一納米）。這個距離衡量了在電荷中電荷需要被攜帶至多遠。Michinobu 表示：「對於高遷移率有機半導體聚合物來說，這個距離屬於最短的。」