上海光源衍射線站助力聚合物場效應(yīng)晶體管等領(lǐng)域研究
2012-01-06 來源:中國聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞:聚合物場效應(yīng) 上海淘汰衍射線站
上海光源BL14B1衍射線站作為通用衍射研究平臺,可以為用戶提供高角衍射、掠入射衍射、反射率、漫散射、倒易空間強度繪制(Reciprocal Space Mapping)、極圖等實驗方法;研究對象涵蓋多晶粉末、單晶及多晶薄膜和塊體樣品,無機和有機樣品,固態(tài)和液態(tài)樣品;為凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)、高分子、地質(zhì)等領(lǐng)域的用戶提供了優(yōu)質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)研究平臺。在衍射線站工作人員的積極配合和努力下,用戶在聚合物場效應(yīng)晶體管、有機半導(dǎo)體分子薄膜和鐵電薄膜等研究領(lǐng)域取得重要進展,成果分別于近期發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會頂尖期刊Journal of the American Chemical Society和Wiley公司出版的材料化學(xué)重要期刊Advanced Materials 和Advanced Functional Materials等雜志上。
一、基于異靛青的高性能空氣穩(wěn)定聚合物場效應(yīng)晶體管的研究
為了替代基于無定形的硅薄膜晶體管材料,有機場效應(yīng)晶體管取得了很大的發(fā)展。比起小分子半導(dǎo)體材料,聚合物材料具有溶液可加工性,更好的機械性能和熱力學(xué)穩(wěn)定性。小分子場效應(yīng)晶體管的研究已經(jīng)取得了很大的進展,然而聚合物場效應(yīng)晶體管的研究則比較滯后。傳統(tǒng)的聚合物場效應(yīng)晶體管的研究主要是基于聚噻吩類化合物,它們雖然表現(xiàn)出了比較高的遷移率,但是他們在空氣中的穩(wěn)定性比較差,遷移率下降很快。
北京大學(xué)裴堅教授課題組設(shè)計并合成了基于異靛青類分子的兩個聚合物IIDDT和IIDT,IIDDT分子表現(xiàn)出了很高的遷移率,達到0.79 cm2 V-1 s-1,同時也表現(xiàn)出了很好的空氣穩(wěn)定性,可放在濕度達60%的空氣中穩(wěn)定長達6個月之久。在上海光源衍射實驗站利用掠入射X射線衍射發(fā)現(xiàn),之所以IIDDT表現(xiàn)出比IIDT高出一個數(shù)量級的遷移率,是由于該聚合物具有較高的對稱性,有利于面內(nèi)π-π堆積和面外的層狀相得形成。如圖1所示,IIDDT薄膜有四個很強的衍射峰,表明薄膜具有側(cè)立薄層狀堆積結(jié)構(gòu)。而IIDT薄膜只有很弱的彌散衍射環(huán),表明其具有相對非晶的結(jié)構(gòu)。該成果發(fā)表在國際化學(xué)頂尖雜志J. Am. Chem. Soc.(2011, 133 (16):6099–6101 DOI:10.1021/ja111066r)上。
二、利用小分子固熔體薄膜實現(xiàn)場效應(yīng)遷移率的調(diào)控
分子尺度超薄膜恰是有機半導(dǎo)體材料科學(xué)目前研究的要點,在建立薄膜的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系、軟物質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米尺度熱力學(xué)穩(wěn)定性、高品質(zhì)有機半導(dǎo)體薄膜的分子設(shè)計和制備方法等方面發(fā)揮重要作用。
中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)物理研究所閻東航研究員課題組首先采用兩種晶胞參數(shù)存在明顯差異的棒狀小分子BPTT和BPPh進行共沉積。在上海光源衍射站利用X射線衍射研究不同比例共沉積薄膜的平面內(nèi)結(jié)構(gòu),可以看到每個衍射峰為單峰,沒有發(fā)生峰形分裂,說明系列共沉積薄膜為均一結(jié)構(gòu)的薄膜,并且隨著BPTT和BPPh比例變化,衍射峰位置發(fā)生漂移(圖2g),平面內(nèi)晶面間距隨組分比例的變化線性變化(圖2h)。研究成果發(fā)表在Adv. Mater.(2011, 23, 3455–3459. DOI:10.1002/adma.201101353)。
三、BiFeO3薄膜內(nèi)外延應(yīng)力誘導(dǎo)的低對稱單斜相和極化轉(zhuǎn)動路徑研究
鐵酸鉍BiFeO3是一種新型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的多鐵材料,其在室溫下同時具有電有序和磁有序,在高密度存儲、磁電讀寫的新型記憶元件等方面存在潛在的應(yīng)用前景。
制成薄膜后,BiFeO3的結(jié)構(gòu)受襯底引起的外延應(yīng)力影響很大。新加坡光源楊平教授同南洋理工大學(xué)陳朗博士合作,在上海光源測試了在不同襯底上生長的BiFeO3薄膜的倒易空間Mapping,仔細(xì)研究了多鐵性BiFeO3薄膜的外延應(yīng)力引起的結(jié)構(gòu)相變研究。通過分析同步輻射倒易空間圖,發(fā)現(xiàn)BiFeO3亞穩(wěn)偽四方相(T-like)實際上是Mc型單斜相,低對稱性的單斜相有望進一步提高BiFeO3薄膜的壓電和磁電耦合性能。通過該研究還確定了外延應(yīng)力引起B(yǎng)iFeO3薄膜極化轉(zhuǎn)動的路徑,如圖3(b)所示。研究成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater.(2011, 21, 133-138. (DOI:10.1002/adfm.201101970)。

圖1.(a)IIDDT和(b)IIDT的掠入射衍射圖樣;(c)IIDDT和(d)IIDT的AFM高度圖

圖2. 共沉積薄膜(a) BPTT:BPPh(2:1);(b) BPTT:BPPh(1:1);(c) BPTT:BPPh(1:2)原子力形貌圖;(f) BPTT:BPPh(1:1)薄膜選區(qū)電子衍射圖譜;(g)不同組分比例的BPTT:BPPh共沉積薄膜(5 nm)平面內(nèi)掠入射X射線衍射圖譜;(h)共沉積薄膜的晶胞參數(shù)隨組分比例的變化關(guān)系。


圖3. (a)LaAlO3 襯底上生長的BiFeO3薄膜的(103)倒格點附近的倒空間mapping;(b)外延應(yīng)力引起的極化轉(zhuǎn)動路徑圖。
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