Advanced Materials:光调控三稳态有机场效应晶体管的构建

有机场效应晶体管(organic field-effect transistors,OFETs)因其具有柔性、价廉、质轻、可大面积制备等优势,可广泛应用于物联网智能电子器件及生物可穿戴器件等领域,近年来得到了广泛的研究与关注。一系列高性能的p-型,n-型和双极性半导体聚合物得到了研究与开发。与此同时,具有多种功能以及性能可调的OFETs器件,也得到了越来越多的重视。这些多功能场效应器件通常使用对特定外场刺激具有响应的有机小分子及聚合物,或者物理掺杂体系作为活性层材料,从而在特定外场刺激下实现场效应性能的调控。

在这些外场刺激中,光作为清洁、易得的远程调控手段,受到了研究者的青睐。光调控场效应晶体管是指使用光作为外场刺激手段,构建器件性能可调控的晶体管。光调控场效应晶体管通常通过引入光致变色分子的策略来实现。光致变色分子可以在特定波长的光照下在两种构型之间进行可逆转换,因此人们可以利用两种构型间分子结构、前线轨道能量,以及偶极矩等性质在特定波长光照下的可逆变化来实现晶体管性能的可逆调控。目前已报道的工作中,光调控有机场效应晶体管利用光致变色分子的两种构型已经成功地实现了双稳态电导状态,但随着光电逻辑器件的快速发展,对具有多重电导稳态的光调控有机场效应晶体管的需求也日益迫切。

中国科学院化学研究所张德清课题组通过向共轭聚合物DPP侧链中引入了两种偶氮苯基团(tetra-ortho-methoxy-substituted azobenzene (mAzo)及arylazopyrazole (pAzo)),设计合成了半导体聚合物POMPYA,基于POMPYA薄膜的场效应晶体管器件首次实现了 560 nm,365 nm,470 nm三种波长光照下器件性能的可逆调控,并可依次达到三重稳定电导态。其原理如下:mAzo的可逆顺反异构化可以通过560/365 nm 及470 nm的光照进行,而pAzo的反式到顺式的转化可以通过365 nm光照进行,而560 nm光照不能驱动顺反异构化反应。因此,两种偶氮苯基团(mAzo和pAzo)的反式到顺式异构化可以通过560 nm和365 nm的光照依次引发。同时,通过GIWAXS数据分析,mAzo及pAzo的顺反异构可以调节POMPYA薄膜的结晶性。因此,基于POMPYA薄膜的场效应器件的性能可通过560 nm,365 nm,470 nm光照下的mAzo及pAzo依次顺反异构化来进行可逆调控,从而依次达到三重稳定电导状态,并且三稳态间可以通过特定波长的光照进行可逆转换。研究结果表明,通过三种不同波长的光照,聚合物POMPYA薄膜器件的性能可以进行可逆稳态调控。此外,通过使用560 nm,365 nm,470 nm光照作为输入信号,器件电流IDS作为输出信号,器件电流IDS随光照的变化可以模拟三值逻辑门的功能。

此项研究首次实现了三稳态光调控有机场效应晶体管的构建,并为多重稳态光调控有机场效应晶体管提供新的思路。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202005613)上, 通讯作者是张德清研究员,及刘子桐教授,第一作者是田健吾博士。