InfoMat:有机场效应晶体管迁移率的突破

有机半导体由于种类多样、成本低廉和广泛适用等优点,有望成为下一代电子器件的候选材料之一。在过去的40年里,基于有机半导体材料的有机场效应晶体管在大面积、低成本和柔性化有机电子产品等方面备受关注,在显示驱动、射频识别标签、逻辑电路、人工智能、信息技术等方面具有广阔的应用前景。值得注意的是,有机场效应晶体管的迁移率从低于10-5 cm2 V-1 s-1增长到约100 cm2 V-1 s-1,极大地推动了有机半导体材料的产业化进程。当材料的迁移率大于10 cm2 V-1 s-1时,材料就能够应用于诸多器件中,如有机光伏器件、有机发光场效应晶体管、健康监测用可穿戴传感器、逻辑电路、电子纸张等等。不仅如此,高的迁移率还可以使柔性电子器件中的电子电路实现快速开启和快速切换。因此,获得高迁移率的材料是有机场效应晶体管实用化的关键。 

近期,天津大学姜辉教授和西北大学胡鹏教授,在InfoMat上发表了题为“Greater than 10 cm2 V-1 s-1: A breakthrough of organic semiconductors for field-effect transistors”的综述文章。该文首先对有机半导体材料性能的发展历程进行简要的总结,其次探讨了迁移率大于10 cmV-1 s-1的聚合物和有机小分子,最后对获得高迁移率的关键因素进行分析,并对开发高性能有机场效应晶体管材料进行了展望。为了获得高迁移率的有机场效应晶体管材料与器件,需要考虑以下几个方面的因素:(1)有机分子间的强相互作用(包括但不限于p-p,C-H•••X,C-H•••S等)可以有效提高材料的迁移率,因此侧链引入S,N等元素可以提高分子的堆积密度,从而达到增强分子间相互作用的目的;(2)增加有机半导体分子的p共轭度;(3)有机半导体材料和介电层的接触电阻要小,通常采用缓冲层来降低接触电阻,同时,缓冲层还可以起到保护有机半导体材料的作用;(4)从电极到半导体之间具有有效的电荷注入;(5)基于有机单晶的场效应晶体管往往具有较高的迁移率。一些薄膜晶体管同样显示出高迁移率,主要是由于其形成高度有序的晶态膜结构;(6)降低有机半导体材料中的杂质。杂质往往会产生更多的陷阱态,从而抑制了电荷输运,因此降低材料的杂质含量会有效提高迁移率。

该综述文章有助于相关领域研究者了解高迁移率有机半导体材料的研究现状,有望为相关领域的学者提供参考。

该工作发表在InfoMat(DOI: 10.1002/inf2.12188)上。