Advanced Electronic Materials:弱掺剂对提高溶液法制备的有机场效应晶体管性能的研究

溶液法制备有机场效应晶体管一直是有机电子学领域研究的一个重点,但是材料的性能问题却是长久以来阻碍其走向工业化的一个巨大的绊脚石,因此除了设计合成新型的高性能有机分子外,对已有材料性能的再优化也是一个很重要的研究方向。分子掺杂,作为无机电子学中一项重要的技术,近年来也被逐渐引入有机电子学领域并引起了广泛的关注。基于分子掺杂能够有效的填充有机材料中的缺陷、产生多余的载流子,所以它也被广泛的应用于提高有机场效应晶体管的性能。但是已报道的分子掺杂的研究都集中于用强掺杂剂掺杂有机功能分子,即为了保证与有机主体材料进行有效的电荷转移,掺杂剂必须拥有很低的LUMO轨道(p掺杂)或很高的HOMO轨道(n掺杂),但是这样就极大地限制了掺杂剂的使用,因为严苛的条件致使满足条件的强掺剂数量极少而且要么易挥发要么溶解性不好,这极大的限制了分子掺杂在溶液法制备有机场效应晶体管中的应用。

基于此,南洋理工大学材料科学与工程学院的张其春教授所率领的研究组尝试放宽对掺杂剂的限制条件,即当掺杂剂的电子亲和能远小于主体分子的离子势(p掺杂)或掺杂剂的离子势远大于主体分子的电子亲和能(n掺杂)时,研究了其掺杂过程及对有机场效应晶体管性能的影响并揭示了其作用的原因。在该研究中,作者选取了含氟掺杂剂四氟邻苯二腈(TFP)和八氟萘(OFN)(电子亲和能:TFP,3.45 eV ;OFN,3.44 eV)以及有机主体功能材料TIPS-Pentacene(离子势:5.17 eV)作为研究对象,基于掺杂剂具有很好的溶解性,保证了其能够有效的应用于溶液法制备过程。通过UPS对其能级的分析表明即使掺杂剂和主体分子能级不匹配,其依旧能够实现p掺杂,UV-vis-NIR吸收和FTIR也进一步证实了分子间电荷转移的形成,进一步研究推测这种电荷转移极大可能发生在主客体材料的界面附近。除此以外,对薄膜的形貌分析显示掺杂剂还能够有效提高薄膜的结晶性、促进分子的有序排列。基于掺杂薄膜的有机场效应晶体管的电荷传输性能有了很大改善,其迁移率提高了将近两个数量级,证实了弱掺过程的有效性。作者进一步研究发现,弱掺过程能够有效降低薄膜的缺陷密度、提高载流子数量、降低接触电阻、提高分子的有序排列,导致电荷有效的注入和传输,从而提高了器件的性能。除此之外,为弱化弱掺过程对分子有序性的影响而带来的干扰,作者选取了另一经典有机材料P3HT(离子势:5.20 eV),研究显示其弱掺过程对薄膜结晶性影响并不大,但是其器件性能同样有了很大的改善,证实了此弱掺过程的普遍适用性。

这个工作说明弱掺剂也可以实现电荷转移并能有效提高场效应晶体管的性能,它提供并拓宽了开发新型的掺杂剂的思路。相关文章在线发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201800547)上。

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