基于拉曼光谱探索有机半导体结构演变及在有机晶体管中的应用

Organic field-effect transistors (OFETs) are one of the most important basic electronic components in the area of flexible electronics, and have broad commercial prospects. The balance developments of device performances are the precondition of industrialization. However, the development of device stability is far behind the other parameters due to the intrinsic characteristic of organic semiconductors. Currently, the main challenge is the lack of complete understanding of device aging mechanisms. In this project, the effect of internal factors (e. g. semiconductor layer and electrodes) and external factors (e. g. moisture, oxygen and heat) on device stability and the corresponding microscopic mechanisms will be researched, and further strategies and techniques for improving device stability will be developed. This project innovatively adopts micro-Raman which has excellent spatial resolution and signal detection ability as the main analysis method. During the device aging test, the semiconductor layer in the channel region and the semiconductor/electrode interface will be carefully characterized, to obtain detailed information about the spatial heterogeneity and corresponding time-dependent evolution under the influence of various internal and external factors. Based on this information, the microscopic mechanisms of the effect of various factors on device aging will be proposed. The substantial preliminary work foundation, reasonable research idea, practicable technical plan, and comprehensive instruments can guarantee the successful completion of the project. It will promote the progress in the research area of OFETs stability.

有机场效应晶体管是柔性电子学领域最重要的基础元器件之一，具有广阔的应用前景，其各项性能指标的均衡提升是其逐步产业化的前提。然而，由于有机半导体的特性，有机晶体管稳定性的发展明显要滞后于其他性能的提升。目前，器件稳定性研究面临的主要问题是缺乏器件老化机制的完整认知。本项目立足于目前研究现状，围绕半导体层、电极等内在因素及水、氧、热等外在因素影响器件稳定性的微观机制开展研究，开发相应的改善器件稳定性方案。在研究过程中，利用具有优良空间分辨能力的微区拉曼光谱，对沟道区内半导体层及半导体/电极界面区进行详尽的微区表征，得到各种内在或外在因素影响下器件内的不均匀特性信息及这些信息随时间的演变情况，并以此为依据阐释各种因素影响器件稳定性的微观机制。申请人及所依托课题组具有坚实的前期工作基础，研究思路科学合理、技术方案切实可行，软硬件能够保证项目的顺利实施，有望推动有机晶体管稳定性研究领域的发展进程。

有机场效应晶体管（OFET）是利用有机半导体的场效应特性构筑的有机电子器件，是有机电子电路的基础元器件之一。有机晶体管具有高性价比、柔性兼容、轻质、可采用溶液法大面积制备等独特的优势。在有机晶体管中，半导体/栅绝缘层界面附近的超薄半导体层对器件性能起到关键作用，称为电荷输运层。有机半导体超薄膜（厚度小于15nm）将电荷输运层直接暴露出来，在研究电荷输运层中各种物理、化学作用机理/机制及制备某些有机电子器件（如化学传感器等）时具有其独特的优势。在本项目执行过程中，首先通过对溶液提拉法和真空蒸镀法中参数的精细调控，实现了高质量有机半导体超薄膜的厚度可控制备，其厚度在2-20 nm范围连续可调；另外，通过溶液逐层自组装法实现了高质量氧化石墨烯超薄膜的厚度可控制备，氧化石墨烯层厚度任意可调，并可通过不同程度的还原过程，实现氧化石墨烯超薄膜导电性的连续可调。以此为基础，制备了高质量的有机超薄膜晶体管器件及底接触器件，迁移率均在0.5 cm2/Vs以上。以有机超薄膜晶体管为研究对象，探索了环境气氛和光辐射条件对晶体管性能及导电特性的影响，提出了有机半导体在真空条件下的红外光致O2脱附去掺杂效应，及含O2气氛中的可见光致O2掺杂效应对导电性质的影响机制，证明了O2掺杂对有机半导体导电性能的关键作用，并为进一步研究有机晶体管电荷输运机制、器件衰退机理等领域提供了理想的器件平台。以超薄膜器件为基础，探索其在传感领域的应用，利用并五苯有机超薄膜晶体管，实现了水相中有机胺溶液的高效探测，传感器对乙胺水溶液的探测下限达到1ppm，探测响应时间<1s，证明其在食品安全、环境污染监测、医学诊断领域具有广泛前景；利用氧化石墨烯超薄膜构筑了高性能气流传感器，对小气流有着极高的灵敏度，探测下限达到26 mm/s，已经接近蜘蛛，蟋蟀等生物对气流的探测能力。