n型有机薄膜晶体管的重要进展:电子迁移率超过10 cm2V−1s−1与电荷的能带式传输

有机薄膜晶体管是组成柔软廉价的有机电子器件的基本元件,不仅在材料科学的基础研究中引起广泛的兴趣,而且具有潜在的市场价值。衡量有机薄膜晶体管性能的最重要指标是场效应迁移率。传输空穴的p型晶体管和传输电子的n型晶体管在互补电路中都不可或缺,但n-型有机薄膜晶体管的发展却长期滞后于p-型器件。场效应迁移率高于10 cm2V1s1的p-型有机薄膜晶体管已多见于报道,而场效应迁移率达到10 cm2V1s1的n-型有机薄膜晶体管仍罕有报道。有机薄膜晶体管中的电荷传输机制一般可以用能带式传输或跳跃式传输来描述。判断能带式或跳跃式传输的最重要的实验依据是电荷迁移率与温度的关系,能带式传输表现出迁移率随温度下降而升高,而跳跃式传输表现出迁移率随温度下降而下降。能带式传输现象多在高迁移率的p-型单晶场效应管的低温实验中观察到,而n-型有机薄膜晶体管的能带式传输现象则非常少有报道。什么因素决定了电荷的传输机制,是有机薄膜晶体管研究中的一个重要问题。

AM-miaoqian

在高迁移率n型有机薄膜晶体管的制备与电荷传输机制的研究中,香港中文大学化学系缪谦教授课题组及合作者取得了重要进展。通过减少氧化铝介电层中的杂质,并利用末端带有环己基的长链磷酸分子来修饰氧化铝表面,他们获得了高质量的介电层。他们采用6,13-双(三异丙硅基乙炔基)-5,7,12,14-四氮杂并五苯为n型半导体,以溶液滴涂、溶液提拉及真空蒸镀三种方法制备了具有不同微观结构的有机半导体薄膜。其中,溶液提拉法制备的薄膜具有带状的单晶阵列,各带状单晶大致平行且孤立分布,其间无晶界,最高迁移率达到11.1 cm2V1s1。溶液滴涂法制备的薄膜包含取向的层状晶体,含有一定数量且方向有序的晶界。通过适当安排顶电极可以使晶体管导电沟道的方向与晶体生长大致平行,从而使电荷传输只需穿过少量的晶界,由此获得的最高迁移率也达到11.0 cm2V1s1。真空蒸镀法制备的薄膜由大量杂乱取向的晶畴所组成,因此电荷传输不可避免地要穿过大量的晶界。与此薄膜结构相应,其最高迁移率为6.8 cm2V1s1。为研究电荷传输机制,缪谦教授团队比较了上述三种薄膜的场效应迁移率与温度的关系,发现利用溶液滴涂和提拉法制备的器件的表现出能带式传输的特征,而利用真空蒸镀制备的器件表现出跳跃式传输的特征。由于这三种薄膜是由同一种n型半导体材料在相同的介电层表面所形成,所观察到的不同的传输特性就只能归结于不同的薄膜微观结构,特别是晶界的分布。利用溶液滴涂的薄膜设计的对照试验,他们进一步证实了正是晶界抑制了电荷的能带式传输。

以上结果发表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201601171)上。