基于石墨烯的有机垂直场效应晶体管的载流子传输机理研究

Recently, the vertical field effect transistor becomes one of the hotspots in the field of organic semiconductor devices, and has attracted wide attention. The researches on charge carrier transport and its mechanism have important scientific significance. In this proposal, based on recent the experimental and theoretical preliminary results via band or hopping theories, we will investigate the migration path of the charge carrier in heterostructures, and the change of the charge carrier mobility under different conditions, and then explore the new carrier mechanism.

近来垂直场效应晶体管是有机半导体器件研究热点之一，它引起了广泛的关注。当前研究有关其载流子传输与机理具有重要的科学意义。本项目拟结合近年来实验与理论的研究结果，以有机垂直场效应晶体管中异质结构载流子的传输路径及其不同条件下迁移率变化为主要研究内容，特别是不同传输理论（如“能带”或“跳跃”）的应用，解释实验现象，进而探索载流子传输新的机理。

PI共轭体系构成的有机异质结构是有机分子电子学及其器件应用的重要基础。不同于无机材料异质结构，有机异质结构是利用有机分子的物性和分子间弱相互作用而形成的凝聚态，既有晶态化也有非晶态化的多元化结构。因此，如何利用分子设计和异质结构组装来精确调控分子材料的性能是该领域的关键科学问题。由于这类凝聚态的结构和性质具有多样性特点，因而其电子过程和行为也更加丰富而复杂。如果能通过理论计算方法，从原子/分子相互作用上阐明有机异质结构对于电子、载流子等行为的影响规律，将为高性能电子器件的构建奠定坚实的基础。申请人通过理论计算并结合实验验证，围绕典型的PI共轭体系有机异质结构的构建，阐明了电荷转移和输运机制及其对迁移率和电导率的影响规律，发展了强电荷转移体系的高电导率材料并探索了应用机理；设计制备了新型信息和能源器件并获得相应优良的性能。本项目主要取得如下成果：基于晶态化电荷转移复合物，构建了典型的给受体型共晶异质结构，阐述了有机分子堆积对本征载流子输运性能影响规律，预测了其PN双极性输运性能；构筑了二维范德华异质结构，建立了界面间电荷传输模型，实现了新型垂直场效应晶体管：有机单晶-垂直场效应晶体管；阐明了有机半导体通过分子掺杂提升载流子迁移率和塞贝克系数的机理，发现了N型掺杂剂存在自由基聚集掺杂过程。进而实现了高热电优值的N型有机热电器件。