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天津大學(xué)胡文平教授、楊方旭副教授《Adv. Mater.》：實現(xiàn)面向柔性電子的可彎曲的高性能有機(jī)單晶與場效應(yīng)晶體管陣列
2022-08-13  來源：高分子科技

  高性能可彎曲的晶體管器件是柔性電子產(chǎn)品的重要組成部分。在眾多材料中, 聚合物柵極電介質(zhì)和超薄有機(jī)晶體為構(gòu)建高性能OFET提供了本征柔性和天然的相容性。然而，如何在常用于柔性器件的聚合物基板上制備大面積的有機(jī)單晶仍面臨較大的挑戰(zhàn)。一方面，疏水性聚合物表面通常導(dǎo)致分子溶液的擴(kuò)散面積有限，這阻礙了有機(jī)晶體的大面積組裝。此外，由于聚合物通常具有良好的溶解性，較長的組裝時間可能會損壞下面的聚合物表面。另一方面，大面積有機(jī)單晶的生長需要復(fù)雜的組裝策略，例如溶液剪切，溶液外延，空間限制策略等。然而，這些技術(shù)并沒有實現(xiàn)在聚合物基板上原位組裝大面積有機(jī)晶體，這導(dǎo)致它們的靈活應(yīng)用需要后續(xù)復(fù)雜的轉(zhuǎn)移技術(shù)。因此，如何在聚合物表面原位組裝大面積有機(jī)單晶仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。


  近日，天津大學(xué)胡文平團(tuán)隊提出了使用聚酰胺酸（PAA）作為生長模板輔助半導(dǎo)體結(jié)晶，使其利用簡單滴注的方法即可制備大面積超薄有機(jī)單晶陣列。PAA可作為表面輔助結(jié)晶模板有三個關(guān)鍵的因素：1.較高的表面能可以保證溶液實現(xiàn)完全的鋪展；2，其獨特的表面特性使得溶液蒸發(fā)時，形成穩(wěn)定后退的三相接觸線（TPCL），與“彎液面誘導(dǎo)”技術(shù)相似；3，表面獨特納米凹槽的特性，使其高效誘導(dǎo)分子結(jié)晶。基于此，我們通過簡單的溶液滴注方法，獲得多種有機(jī)半導(dǎo)體單晶陣列的制備，進(jìn)而基于高質(zhì)量單晶陣列分子級薄、原子級平整且長程有序的結(jié)構(gòu)特點結(jié)合聚合物的柵絕緣層實現(xiàn)了高性能可彎曲晶體管陣列的制備。通過器件表征發(fā)現(xiàn)，所得到的C8-BTBT單晶陣列的載流子遷移率高達(dá)18.63 cm2 V?1 s?1（平均遷移率高達(dá)15.92 cm2 V?1s?1）和?3 V的低工作電壓，優(yōu)于大多數(shù)報道的基于C8-BTBT薄膜的器件。該表面輔助組裝的策略可應(yīng)用于不同的有機(jī)半導(dǎo)體，均制備了高質(zhì)量的單晶陣列，且獲得了具有競爭力的場效應(yīng)性能。得益于高質(zhì)量的超薄單晶通道與聚合物電介質(zhì)的結(jié)合，制備的柔性晶體管在不同的曲率半徑下(r = 5 mm~20 mm)，可保持良好的電學(xué)性能，為構(gòu)建高性能柔性電子設(shè)備提供了廣闊的前景。


  以C8-BTBT為例，基于DFT理論計算了C8-BTBT分子在PAA表面吸附情況，證明了這種特殊結(jié)構(gòu)使得C8-BTBT分子在PAA表面實現(xiàn)更有序的堆積，從而提高分子的結(jié)晶度。（圖1）在PAA表面組裝大面積C8-BTBT單晶陣列的過程主要分為三個階段，包括潤濕、三相線釘扎和三相線后退。（圖2）制備的柔性晶體管在不同彎曲半徑下性能幾乎保持不變，展現(xiàn)了優(yōu)異的彎曲穩(wěn)定性。

 


圖1a-d，C8-BTBT在PAA表面吸附圖；圖1e，生長示意圖


 

圖2，基于C8-BTBT晶體的柔性OFETs器件性能表征。


  該研究成果以題為“Challenging Bendable Organic Single Crystal and Transistor Arrays with High Mobility and Durability towards Flexible Electronics”發(fā)布在國際著名期刊Advanced Materials上，第一作者為天津大學(xué)理學(xué)院博士生付倍倍，楊方旭副教授和胡文平教授為本論文的通訊作者。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202203330

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