有机场效应晶体管中介电层的表面能非均匀性研究

场效应晶体管(Field-Effect Transistor)是一种通过电场来调控固体材料导电能力的有源器件,是微电子的核心单元器件之一。自从有机场效应晶体管(OFET)1986年被发现以来,由于在大面积、低成本和柔性化有机电子产品方面的潜在应用前景而备受学术界和工业界的关注,成为有机电子学中的前沿研究领域之一。

有机场效应晶体管的性能不仅与有机半导体材料的分子结构、凝聚态结构相关,还与器件中各功能层的界面状态相关,包括介电层/半导体层界面。目前,在OFET的界面研究中,用来描述界面状态的诸多参数都是基于相对宏观的统计平均值,而对于界面均匀程度的考量则往往被忽视。表面能(Surface Energy)作为一个重要的界面因素,其均匀程度对器件性能的影响在界面研究中长期被忽略。而对表面能非均匀性(Heterogeneity)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根源之一。

最近,中科院化学所刘云圻教授课题组发现了OFET中介电层的表面能非均匀性对有机半导体层形貌、生长模式和OFET器件性能都有着不可忽视的影响。该课题组在对介电层的表面能非均匀性所引起的一系列实验现象进行充分研究的基础上,提出了一种全新的存在于半导体沉积过程中的能量选择机制:即在表面能非均匀介电层上,半导体分子优先沉积于表面能较高区域,而界面上的低能量点则由于浸润性的原因,对半导体分子呈现排斥趋势。这种半导体生长的能量选择使得半导体层晶粒尺寸减小,晶界深度增加,分子堆积有序性均下降,最终导致器件迁移率急剧衰减。随后,该课题组还通过对基于多种有机半导体的OFET的研究证明表面能非均匀性是一种广泛存在的不可忽视的界面效应。最后研究人员通过对表面能非均匀程度和OFET迁移率关系的量化发现两者之间存在一种线性反比关系。该课题组发现的OFET中介电层界面非均匀程度和器件性能之间这一明确的量化关系,对未来的有机器件界面研究以及器件制备具有重要的指导意义。该研究结果发表在Adv. Mater. 第23卷第8期上, 并被该期选为插页。

撰稿:中科院化学所

X. Sun et al., Adv. Mater. 2011, DOI: 10.1002/adma.201004187