Advanced Materials:有机半导体晶体工程构筑高分辨层数可控的二维晶体阵列

1. 研究背景

自石墨烯出现以来,二维层状材料在基础物理研究和先进器件应用方面吸引了越来越多的兴趣。二维有机半导体晶体(2DOSCs)是一类重要的超薄晶体,它们具有高电荷传输效率、溶液加工能力、优异的柔性与透明性等优点,在电子和光电子领域显示出巨大的应用潜力。与块状OSCs相比,超薄2DOSCs可以有效消除层间电荷屏蔽,有利于获得高载流子迁移率,并有助于研究电荷注入和输运机制。因此,2DOSCs为实现高性能有机场效应晶体管(OFETs)、有机光电晶体管、有机发光二极管、光电探测器和传感器提供了优异的模型体系。为了实现2DOSCs的应用,需要制备高分辨层数可控的2DOSC阵列,因为高分辨2DOSC阵列不仅可以提高器件密度,还可以消除相邻器件之间的串扰,降低漏电流;而且层数可控的2DOSC阵列可以大大提高器件阵列的均匀性。迄今为止,研究人员已开发了一些方法用于制备2DOSC阵列,包括喷墨打印、丝网印刷和自组装等。然而,由于有机半导体分子的自组装能力强,结晶过程中弯液面区域难以控制,流体干燥机制复杂,因此薄膜厚度难以实现精确控制,制备高分辨层数可控的2DOSC阵列仍然是一个巨大的挑战。

2. 文章概述

近日,天津大学李立强教授等报道了一种制备高分辨层数可控2DOSC阵列的方法。首先,通过有机半导体晶体工程方法制备了大面积层数可控的2DOSCs;然后,通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板辅助的选择性接触蒸发印刷(SCEP)技术制备了高分辨层数可控的2DOSC阵列。研究表明,基于2DOSC阵列的OFETs具有优异的电学性能和均匀性。其中,基于2,6-bis(4-hexylphenyl)anthracene (C6-DPA) 2DOSC阵列的OFETs平均迁移率达到1.6 cm2 V-1 s-1,迁移率相对变化率仅为12.5%。这种策略可用于制备多种有机半导体二维晶体和图案阵列。这项工作对推动2DOSCs实现低成本和大面积光电应用具有指导和借鉴意义。

2DOSCs的制备与器件阵列

致谢

该项目研究获得国家重点研发计划(2017YFA0204503, 2018YFA0703200), 国家自然科学基金(91833306, 51633006, 51703159, 51733004, 51725304, 52003189, 21875158), 中国科学院战略性先导研究(XDB12030300)和中国博士后科学基金(2020M680875, 2021T140508)等项目的资助,谨此感谢。

李立强教授简介:

天津大学教授,2002年和2005年在南开大学获得学士和硕士学位,2008年在中科院化学研究所获得博士学位(导师:胡文平研究员、朱道本院士)。2008年至2014年在德国明斯特大学物理所从事博士后研究工作(合作导师:迟力峰教授),2014年加入中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,任研究员,2019年调入天津大学。研究方向是有机场效应晶体管材料与器件,重点研究器件的失稳机制与增稳方案、有机半导体的组装、可控掺杂以及电荷输运机制。在Adv. Mater.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等期刊上发表文章80余篇。

论文信息:

Organic Semiconductor Crystal Engineering for High Resolution Layer-Controlled 2D Crystal Arrays

Zheng Chen, Shuming Duan, Xiaotao Zhang, Bowen Geng, Yanling Xiao, Jiansheng Jie,

Huanli Dong, Liqiang Li*, Wenping Hu

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202104166

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104166