二维有机晶体膜的控制生长、结构表征与性能研究

Organic crystals have attracted wide attention due to their high quality with minimized concentration of charge traps and perfect structure of absent grain boundaries. Therefore they offer the access to examine the intrinsic transport properties and explore structure-property relationships of organic semiconductors. Moreover, the high quality of organic single-crystal materials also enable us to construct high-performance electrical devices and circuits. For technological large-scale applications, thin single crystalline films are highly desirable than discrete single crystals, which are limited to fabricate separate devices. Difficulties in large area growth of organic single crystalline thin films become one of the main obstacles to extend organic single crystals in electronic applications such as active matrix displays backplanes, radio-frequency identification (RFID) and digital circuits. .In this research project, a series of organic semiconductors with two-dimensional intermolecular forces will be designed and synthesized for fabricating large-area single crystalline films. The thickness and area of the films could be manipulated by the experimental condition. Based on the single crystalline films, the high-performance field-effect transistors will be fabricated. It will provide an opportunity for revealing the relationship between the microscopic molecular packing and the macroscopic charge transport of the materials. Furthermore, the high-performance organic circuits based on the large-area single crystalline films will be available. These results will pave the way for the self-assembled high quality, large-area organic single crystalline films for advanced devices and circuits, also will promote the development and application of organic electronics.

有机单晶中分子排列长程有序、无晶界、且杂质和缺陷少，因而有机单晶是揭示有机半导体材料的本征性能和获得高迁移率器件的最佳选择。因此，高质量单晶材料在实现高性能有机电子器件和电路方面具有无可比拟的优势。但是，有机单晶普遍以离散的微纳晶形式存在，难以适用于大规模应用需要。而大面积单晶薄膜可以集单晶器件的高性能和薄膜材料易集成性为一体，是实现高性能器件和电路构筑的最佳途径。目前，如何有效制备大面积单晶膜还面临着巨大的挑战，严重影响了高性能有机单晶材料的大规模应用。.申请者拟针对这一难题，通过设计、合成一系列分子间具有二维作用力的有机半导体材料来实现大面积单晶薄膜。进一步表征单晶膜中分子堆积结构，发展高性能单晶薄膜器件，研究其电学性能，探索半导体结构与性能的关系。通过本项目的研究，为二维有机晶体膜的控制生长、结构与性能的关系、本征性能的研究、以及高性能器件、分子器件与电路的构筑和应用打下坚实基。

相比于有机薄膜材料，单晶中没有晶界的存在，分子长程有序排列，杂质和电荷缺陷浓度都降到最小，因此成为揭示有机半导体材料的本征性能和构筑高性能器件的最佳选择。同时有机单晶的性能研究可以进一步探索可以深入分析和洞察有机半导体中电荷传输机理，了解材料结构与性能之间的关系。有机分子间靠比较弱的范德华作用力相互结合，因而较容易形成微纳尺度的晶体，而大尺寸单晶的制备遇到了极大的挑战，这在很大程度上阻碍这些高性能有机单晶材料在集成电路中的进一步应用。借鉴传统硅基电子学研究经历，发展大面积的单晶薄膜材料是解决这个问题的一个有效途径。.我们设计、合成了高性能的n型和p型有机半导体材料，其中p型薄膜材料的迁移率高达34 cm2V-1s-1，为二维晶体薄膜的发展提供了重要的材料基础。通过简单的溶液滴膜和界面控制组装方法成功的制备了厘米级的n型超薄有机晶体膜，其厚度仅为 2 nm 左右，在此基础上制备了空气稳定，高性能的单晶器件，迁移率达0.1 cm2V-1s-1。通过变温电学测试进一步对其电荷传输机制开展研究，揭示了其浅能级缺陷下的跃迁电荷传输行为。另外，我们在较低温度下利用六溴苯裂解成自由基，进一步偶联形成高质量的石墨烯。为了进一步获得大面积、低成本有机电路，我们发展了一种溶液制备银电极的方法，成功应用于有机晶体管器件阵列和电路，包括反相器和振荡器。这些大面积、高性能的有机二维晶体膜其性能可比甚至优于传统的多晶硅材料，为单晶场效应晶体管器件的大面积应用提供了重要的机遇。