Advanced Materials:光/热响应的有机薄膜场效应晶体管

有机场效应晶体管在可穿戴柔性器件、人造皮肤、电子纸以及物联网等领域表现出潜在的应用,获得了广泛的关注。近年来,研究人员在追寻有机场效应晶体管器件性能的同时,正逐渐开始关注外场响应的有机场效应晶体管的构筑。这是因为该类器件在外场作用下会发生电学性质的改变,从而比传统晶体管多一种电学状态,利用其可以实现信息存储、电学开关及传感等新功能。

目前构筑外场响应有机场效应晶体管器件的主要途径是将外场响应分子引入至场效应器件的半导体层或介电层。例如,通过向半导体层或介电层中引入偶氮苯、二芳基乙烯、螺吡喃等光致变色分子,研究人员发展了系列光可调控的有机场效应晶体管器件。但是,这些体系电流变化小、读取电压高以及输入光信号易互扰等不足。针对此问题,中国科学院化学研究所的张德清课题组通过将光致变色六芳基双咪唑衍生物引入p型有机共轭聚合物薄膜中,并以此作为半导体层构筑了光/热响应的有机薄膜场效应晶体管,并展示了该晶体管在构筑非易失性的存储器件方面的应用。六芳基双咪唑(HABI)是一类紫外光/加热可逆响应的光致变色分子。目前已报道的六芳基双咪唑衍生物光照后的产物三苯基咪唑自由基稳定性差,容易复合返回六芳基双咪唑状态。中国科学院化学研究所的张德清课题组发现向六芳基双咪唑骨架引入硝基,可以大大提高三苯基咪唑自由基的稳定性。如图所示,他们以硝基取代六芳基咪唑衍生物(p-NO2-HABI)和p型共轭聚合物(PDPP4T)的混合物为半导体层、OTS修饰的二氧化硅作为绝缘层,构筑了底栅底接触的有机薄膜场效应晶体管器件。实验发现,该晶体管器件对紫外光(365 nm)具有高灵敏的响应,光照前后电流变化能够达到106,而且该状态可以长时间稳定。通过加热,可以使器件电流恢复至初始状态。该器件的电信号的开/关态可以通过紫外光照/加热多次循环实现,且无明显信号损耗。最后,该课题组进一步展示了该光/热响应场效应晶体管器件在非易失性存储器件方面的应用,实现了光信号写入-电信号读取-热信号擦除-电信号读取(WRER)的多次可逆循环,其具有高的开/关态电流比值以及低读取电压的特点。相关论文以“Photo‐/Thermal‐Responsive Field‐Effect Transistor upon Blending Polymeric Semiconductor with Hexaarylbiimidazole toward Photonically Programmable and Thermally Erasable Memory Device”为题,在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201902576)上,并作为Inside Back Cover做简要介绍。