有机高分子半导体二维晶态材料及其场效应器件的研究

Organic field-effect transistors （OFETs）are a basic element of organic electronics. An encountering problem is how to get organic and polymeric semiconductors with high mobility and stability. There are two ways to approach this target. One way is to modify molecular and energy structure to optimize molecular packing by molecular design. The other is to optimize the microstructure of organic and polymeric semiconductors to improve the molecular packing and charge transport. Two-dimensional (2D) crystalline materials of organic and polymeric semiconductors are excellent candidates to meet the requirements. Molecules pack in high order in crystal, which guarantees the efficient charge transport in crystal. Moreover, molecules are fixed in crystal, which guarantees the high stability of the material. Finally, 2D materials are ideal for OFETs and circuits. Here, novel methods for the growth of centimeter sized 2D crystalline materials of organic and polymeric semiconductors and their applications in OFETs will be studied. The methods include solution and vacuum processed crystal growth methods as well as topochemical polymerization method for conjugated large sized 2D crystals.

有机场效应晶体管，是有机电子学的基本元器件，是有机电路的基础。发展迁移率高（与多晶硅相当)、稳定性好、综合性能优异的有机高分子半导体材料，成为该领域面临的重大科学问题之一。面对这一重大科学问题，一是从分子结构、能级结构等出发，优化分子构型，发展稳定性好的新型分子材料，二是从微结构调控出发，优化分子排布和电荷传输途径，获取高的迁移率。有机高分子半导体二维晶态材料，无疑是解决这一问题的有效途径。首先，分子的长程有序排列，是电荷在半导体内高效迁移的基础；其次，晶体内分子排列有序，彼此制约，是最稳定的凝聚态结构之一；再者，二维晶态材料的大面积，是有机场效应晶体管和有机电路制备的材料基石。发展新型二维晶体生长技术，获取厘米尺度、高质量二维晶体，应用于有机场效应晶体管的研究，是本项目的核心。新型二维晶体生长技术，包括溶液受控结晶技术、改进的物理气相传输技术、以及高分子的拓扑聚合结晶技术等。

有机场效应晶体管是有机电子学的基本元器件，是有机电路的基础。发展迁移率高（与多晶硅相当)、稳定性好、综合性能优异的有机高分子半导体材料，成为该领域面临的重大科学问题之一。面对这一重大科学问题，本项目聚焦有机高分子半导体二维晶态材料及其场效应晶体管器件，致力于开发大面积、高质量二维晶态材料，探索二维晶态材料内的电荷输运机制，构筑高性能器件阵列并实现一定规模的电路集成。. 在项目执行期内，项目团队协同攻关，完成了项目的各项预定指标，在高性能有机高分子二维晶态材料的设计与合成、二维晶态材料的可控组装、电荷输运机制的解析、大面积二维晶态材料器件阵列的构筑、有机集成电路的探索等方面取得了系列重要进展。发表学术论文49篇，包括 Nat. Chem.（1篇）、Adv. Mater.（11篇）、Nat. Commun.（2篇）、J. Am. Chem. Soc.（4篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（10篇)、Adv. Energy Mater.（1篇）、Chem（1篇）、Chem. Soc. Rev. （2篇）、Acc. Chem. Res.（1篇）等。“高迁移率有机半导体材料与器件”研究成果获天津市自然科学一等奖（负责人作为第一获奖人）。项目团队多人次获得青年长江、海外优青、天津杰青等荣誉。. 项目的顺利实施将有力推动有机高分子半导体二维晶态材料与器件的发展，为其实用化提供材料、工艺、器件以及理论等方面的支撑。