二维有机半导体晶体液相生长及高性能场效应晶体管研究

The research on two-dimensional (2D) atomic crystal materials (such as graphene) and their applications have been thriving for a decade now. In recent years, 2D organic crystal materials, which consist of molecules bonded via weak van der Waals interactions, and their unique properties have attracted increasing attentions. In particular, 2D organic crystalline films deposited via solution-assisted methods have promising potentials in exhibiting high controllability in film structures and properties, pattering functional materials in featured regions, large-scale device integration, and lowering the fabrication cost. Therefore, solution-processed 2D organic crystals have been a subject of intensive interest. In this project, our objective is to develop a novel solution-based process (airflow-assisted rapid crystallization) that involves solution-shearing effect, in order to deposit 2D small-molecule semiconducting crystals with large sizes and controllable film properties. We will systematically investigate the growth characteristics and mechanism of 2D organic crystals. Furthermore, by utilizing filed-effect transistor device structure, we will study the influences of material microstructures (such as molecular packing and layer number of organic semiconductors, and interfacial defects) on the charge transport at interfaces. And then, high-performance field-effect transistors based on solution-processed 2D organic molecular crystals with a carrier mobility up to 10 cm2/Vs will be obtained by optimizing the device fabrication process. Finally, we will apply the patterning technology for solution-processed 2D organic crystals, which will further allows for the achievement of integrated filed-effect transistor arrays. Our research results will be greatly beneficial for the development of 2D materials and organic electronics.

在以石墨烯为代表的二维原子晶体材料及应用研究持续发展的同时，近年来以分子间弱范德华力结合的二维有机晶体材料及其独特性质研究也日益受到关注。其中，通过液相方法生长二维有机晶体有望实现结构与性质的高度可控、定域生长及大规模器件集成、以及降低制造成本等，因而成为研究热点。本项目将基于有机小分子半导体材料体系以及我们提出的“气流辅助快速结晶法”，利用液体切向作用效应，研究二维有机晶体液相生长特征与机制，获得性质可控的二维有机晶体薄膜；通过场效应晶体管单元器件结构，研究材料微结构（分子排列／层数、缺陷／杂质性质与分布等）对界面电荷载流子输运行为的影响特征，进行工艺优化以期获得迁移率高达10cm2/Vs，进而研究二维有机晶体中载流子本征输运特性；实现二维有机晶体的图案化定域生长及其场效应晶体管器件阵列与集成。本项研究将对二维有机材料和有机电子学领域发展提供新的科学与技术基础。

由于在大面积、高性能和超低成本电子产品中的应用潜力，近几年，有机场效应晶体管在国际科研领域受到越来越多关注。二维有机晶体以其优越的化学、物理等性质在构建高性能场效应晶体管中有十分大的应用潜力。然而，基于传统液相制备工艺得到的少层分子晶体往往体现出小尺寸、多晶相等特征，不利于构筑性能优异的电子器件。因此，寻找和探索一种灵活的方法以得到大面积，高质量的二维有机晶体是目前相关领域面临的一个严峻挑战。前期研究发现利用微溶液自组装的沉积方法可以调控有机半导体晶体薄膜在衬底上的位置及层数，能大幅提高迁移率，在有机器件制备方面有很大的应用前景。.本项目的主要内容是关于液相法制备有机小分子晶体薄膜以及高性能有机场效应晶体管器件的研究。1.提出了几种液相法制备有机小分子晶体的方法：利用“漂浮的咖啡环效应”得到可精确调控层数的高质量二维分子晶体，具有高速成膜速率的二维分子晶体达到了百微米尺寸和原子级的表面平整度。得到了当时同类器件中的最高电学性能；承继前期提出的“漂浮的咖啡环效应”，采用圆珠笔写出大面积、高质量超薄二维半导体分子单晶；将二维分子晶体与高介电常数绝缘材料相结合，成功实现低电压（4V）、高性能的二维有机半导体晶体管。深入研究了不同介电层上基于二维有机薄膜场效应晶体管的性能、半导体／介电层界面的缺陷态，以及活化能之间的关系。2.系统的研究了有机晶体管界面对器件性能的影响:利用分子-衬底的范德华相互作用，通过热诱导自组装实现毫米到厘米面积、层数可控的2D有机C8-BTBT薄膜，使器件性能大幅提高。3.基于上述研究成果，利用二维晶体的超薄特性，在铁电有机场效应存储器研究中取得了一系列成果，实现了同类器件中最高性能的晶体管存储器，并制备出超低能耗压铁电有机晶体管存储器。