晶体管涂料

晶体管涂料研究人员开发出一种具有涂料特性的新型聚合物半导体。

半导体是现代电子设备的基础,最近有机半导体材料开始进入人们的视线。由于聚合物半导体材料具有成本低廉、易于生产以及使用及制造灵活等潜能,其在制备轻质塑胶电子产品上受到了普遍的关注。这些聚合物半导体材料可用于制造有机太阳能电池、有机发光二极管及有机晶体管等。

来自卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的Nelson教授及其团队最近展示了一种新的有机半导体材料,该工作发表于Advanced Materials上。他们将其新创造称之为“晶体管涂料(transistor paint)”。传统的涂料由染料粒子组成,可分散在液体中,从而实现喷涂。晶体管涂料由半导体颗粒组成,也可分散在溶液中,从而可用于制造晶体管及其他有机电子设备。这种方法简单并且成本低廉。

半导体电子器件需具备较高的电荷传输速率或迁移率(charge transport mobility)。此前的高迁移率有机半导体的结构通常为纳米纤维状,其中纤维状烷基链从由芳香化合物组成的平面聚合物骨架中支化而出。在这些材料中,聚合物骨架相互平行排列成后彼此堆叠。电子可很容易地通过纳米纤维在分子间传输,这使得纳米纤维半导体具有相对较高的电子迁移率。然而这些纳米纤维同时阻止了各层之间的紧密叠合,从而产生很多电子陷阱,并使得材料很难保持原有的结构,这则会降低材料的电子迁移率。

因此,为克服这些缺点,该小组的科研人员开发出晶体管涂料。聚合物晶体管仍具有与此前的这些半导体类似的结构,但是不含纳米纤维。他们采用重复单元形成芳香链,每个芳香链都由两个分子组成。这些分子带较少的侧基,具有较强的电子给体及受体,且非常平坦。为了测试新半导体,研究人员采用晶体管涂料制造了有机场效应晶体管,并测试其性能。他们发现尽管缺少纳米纤维通道,这些新的聚合物比之前的纳米纤维状半导体具有更高的电荷迁移率,而且更高的重复性。

研究人员将高电荷迁移率归结于给电子体或受电子体的强度及聚合物链段的规整度。这两种特性都可提高内层状堆积度。这种原因造成的电荷迁移率的增加完全弥补了因缺乏纳米纤维所致的降低。此外,没有纳米纤维可以使材料的呈颗粒状。这样不仅可以保证了高重复性,而且还给与材料涂料般的特性,从而使得这种新材料非常适合制造有机电子材料,并且过程简便,成本低廉。

这种晶体管涂料势必引起一场轰动。

图像:http://www.flickr.com/photos/alancleaver/ / CC BY 2.0

T. Nelson et al., Adv. Mater. 2010,  DOI: 10.1002/adma.201001599.