Advanced Functional Materials:一把双刃剑:论空气气氛对p型有机场效应晶体管理想性的影响

正确表征有机半导体的性能是理解其内在作用机制和促进其实际应用的关键。对有机半导体而言,迁移率是评判其性能优劣的最关键的性能参数之一。有机半导体的迁移率通常是通过制备有机场效应晶体管,并通过分析器件的转移特性曲线,利用肖克利公式计算得到。这一公式是基于理想的假设模型推导所得,因此通常只能适用于理想线型转移特性曲线中。但是在有机半导体中,有机分子是通过弱的分子间相互作用力结合的,有机分子的有序堆叠在实际器件制备过程中很容易受到外界因素破坏,并不可避免地产生各种缺陷,使得器件偏离理想的场效应晶体管行为。若将肖克利公式直接套用于非理想型器件时,可能会导致迁移率的错误估算。因此,构建具有理想工作特性的场效应晶体管对正确评价有机半导体的性能,以及促进其实际应用具有重要的意义。

由于空气气氛中活性组分(水和氧气)的存在,有机场效应晶体管经常会在空气中展现出非理想行为。现有的理想性研究主要集中于吸附在绝缘层界面上的水和氧气的作用,并认为其会通过界面电荷捕获,从而对器件的理想行为产生负面影响。但是,关于水和氧气对有机材料本身直接作用,从而对器件理想性产生的影响目前仍然鲜有关注。因此,空气气氛影响有机场效应晶体管器件理想性的机制仍亟待研究。

苏州大学功能纳米与软物质研究院揭建胜、张晓宏教授课题组系统研究并揭示了空气气氛对有机场效应晶体管理想性的作用机制。他们采用了有机单晶小分子半导体作为有源层,并利用无界面捕获的BCB/PS聚合物作为器件绝缘层,从而排除了材料内部缺陷及半导体/绝缘层界面处载流子捕获对器件理想性的影响。他们的研究发现空气气氛中的水和氧分子会对p型场效应晶体管产生双刃剑的作用。一方面,空气气氛中的水和氧分子会对电极界面处的有机材料产生有效的掺杂作用,填补电极蒸镀过程中产生的缺陷态,从而提高载流子注入效率,改善器件理想性。另一方面,随着器件在空气暴露时间的延长,水和氧分子也会吸附并逐渐进入有机半导体沟道中,捕获在正栅压下注入的少数载流子(电子),导致器件的非理想行为。通过器件界面选择性掺杂,以及控制测试中的气氛环境,可以有效消除器件的非理想性行为,实现具有理想工作特性的场效应晶体管。

研究者相信,此项研究系统地揭示了空气气氛对p型有机场效应晶体管理想性的影响,这不仅有助于阐明空气中有机场效应晶体管的性能演变的因素,而且可以为构建高性能有机场效应晶体管起到一定的指导作用。该论文第一作者为博士研究生吴晓峰,相关论文以“Air Effect on the Ideality of p-Type Organic Field-Effect Transistors: A Double-Edged Sword” 为题在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201906653)上。