调控绝缘层表面性质以提高溶液法制备TIPS-pentacene场效应晶体管的迁移率

溶液法制备的有机单晶微米线阵列具有质轻、价廉、柔性、简单生长、大面积制备和高结晶性等优点,在制备高性能有机场效应晶体管中具有独特的优势,因此在未来可穿戴和可植入电子产品中具有重要的应用前景。众所周知,有机场效应晶体管在工作时,导电沟道位于半导体内紧靠绝缘层的一个或几个分子层内,因此导致器件的电荷传输及电学性能强烈依赖于绝缘层的表面性质。迄今为止,虽然大量文献已经报道了通过改变绝缘层的表面性质可以提高有机场效应晶体管的迁移率,但是对于溶液法制备的有机场效应晶体管来说,由于有机半导体在疏水绝缘层上难以实现原位生长,因此使得绝缘层的表面性质对溶液法制备的有机场效应晶体管迁移率的影响难以探究。

东北师范大学紫外光发射材料与技术教育部重点实验室汤庆鑫课题组通过选择合适的溶剂确保半导体溶液在疏水和亲水绝缘层上保持良好浸润性的前提下,成功原位生长出高度有序的单晶微米线阵列,并探究了绝缘层的表面性质对溶液法制备的有机场效应晶体管迁移率的影响。实验结果表明,绝缘层的表面极性、表面粗糙度和总表面能都不是决定迁移率的关键因素,只有当绝缘层和半导体表面能的极性和色散分量分别匹配时,才有利于获得高迁移率器件。例如,TIPS-pentacene有机场效应晶体管在与TIPS-pentacene表面能的极性和色散分量均匹配的BCB/SiO2绝缘层上,获得了最高迁移率2.26 cm2 V-1 s-1。理论分析表明,表面能匹配时能减小半导体和绝缘层之间的界面张力,进而减小导电沟道附近的浅缺陷密度,有利于获得高迁移率器件。这一研究结论将极大简化溶液法制备高迁移率有机场效应器件绝缘层的优化选择过程。

相关论文发表在Advanced Materials Interfaces (DOI: 10.1002/admi.201801984 ),汤庆鑫教授和童艳红教授为通讯作者,博士研究生王淑亚为第一作者。