具有水相稳定和高灵敏检测功能的有机单分子膜场效应晶体管

adma201570085-gra-0001-m有机场效应晶体管(OFET)自1986年被发现以来,由于质量轻、易修饰、易加工等特点,在大面积、低成本和柔性电子产品方面有着潜在的应用前景,成为有机电子学中的前沿研究领域之一。通常情况下,载流子的产生及运输只发生在介电层/半导体层界面处的少数几层分子中,这就意味着紧密堆积的、无缺陷的二维单分子层晶体膜也可以表现出和体材料一样的载流子迁移率和电流调制作用。此外,当半导体层减薄至单层之后,会最大化其比表面积,提高半导体层对外界环境响应的灵敏度,在超高灵敏光检测、化学检测中具有重要应用。但是,目前为止有机单分子膜场效应晶体管器件都面临着性质偏低,稳定性差,加工繁复等问题。解决这些问题需要从多方面着手,综合考虑半导体分子的设计合成、电极/半导体的接触界面、器件工程等方面的影响而不能单独优化。

针对这些问题北京大学化学与分子工程学院、北京分子科学国家实验室郭雪峰课题组设计合成了一种中间包层结构的寡聚噻吩半导体,通过溶液法旋涂在高-k氧化铪介电层上,制备成单分子膜场效应晶体管。导电的寡聚噻吩骨架被包裹在上下两层绝缘的烷基链鞘层内,从而使得载流子被限域在中间噻吩骨架核层中传输,抑制其向介电层及环境截面的扩散,从而提高单分子膜的电学性能及稳定性。溶液法制备的高-k介电层使得器件的工作电压从几十伏降到了2 V以下,这对器件在水相环境中工作的长期稳定性至关重要。相关结果发表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2015, 27, 2113–2120)上,并被选为当期的back cover

中间包层结构的分子设计使得器件的性能和稳定性获得大大提升。除此之外,烷基链的存在使得分子具有优异的溶解性和自组装性能,通过简单溶液旋涂的方法就能获得致密、连续、大面积的单分子膜。不仅如此,该研究组通过扫描透射显微镜、扫描开尔文电势显微镜、x-射线光电子能谱等多种手段详细表征了单分子膜与金电极的接触界面,提出金属电极和寡聚噻吩半导体界面通过形成Au-S键实现了欧姆接触,这对单分子膜器件的性能提升及本征光电性质的捕捉具有重要作用。结合单分子膜器件的稳定性及高灵敏的半导体/环境界面优势,该课题组将其运用于检测水相中微量的三聚氰胺,最低检测线达到了10 ppb。DFT模拟结果表明,三聚氰胺小分子会插入到寡聚噻吩的上层烷基链中,使单个富电子的噻吩骨架和单个缺电子的三聚氰胺小分子之间发生0.13个电子的电荷转移,并被俘获在三聚氰胺分子层中,进而这层分子可以作为一个浮动化学栅极诱导半导体层中产生更多的空穴载流子,从而实现高灵敏检测。

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