[科普中國(guó)]-有機(jī)晶體管

目前有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)的綜合性能已經(jīng)達(dá)到商用非晶硅水平，其鮮明的低生產(chǎn)成本和高功能優(yōu)點(diǎn)已顯示出巨大的市場(chǎng)潛力和產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。有機(jī)薄膜晶體管將很快成為新一代平板顯示的核心技術(shù)。有機(jī)薄膜晶體管(OTFT，organic thin film transistor)的基本結(jié)構(gòu)和功能與傳統(tǒng)的薄膜晶體管(TFT)基本相同，不同的是它采用了有機(jī)半導(dǎo)體作為工作物質(zhì)。與現(xiàn)有的非晶硅或多晶硅TFT相比，OTFT具有以下特點(diǎn)：加工溫度低，一般在180℃以下，不僅能耗顯著降低，而且適用于柔性基板；工藝過(guò)程大大簡(jiǎn)化，成本大幅度降低，氣相沉積和印刷打印兩種方法都適合大面積加工；材料來(lái)源廣泛，發(fā)展?jié)摿Υ?，同時(shí)環(huán)境友好。這些特點(diǎn)符合社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的趨勢(shì)，因此，它的出現(xiàn)和進(jìn)展在國(guó)際上引起廣泛關(guān)注，很多大公司和研發(fā)機(jī)構(gòu)競(jìng)相投入研發(fā)，特別是歐洲已形成研發(fā)聯(lián)盟，OTFT的性能(載流子遷移率)以平均每?jī)赡晏岣呤兜乃俣仍诎l(fā)展，目前綜合性能已經(jīng)達(dá)到了目前商業(yè)上廣泛使用的非晶硅TFT水平(0.7平方厘米每伏秒)。可以說(shuō)，有機(jī)薄膜晶體管將成為新一代平板顯示的核心技術(shù)。

簡(jiǎn)介近年來(lái)，對(duì)有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)器件的研究和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，作為下一代新的顯示技術(shù)備受人們的關(guān)注。與無(wú)機(jī)薄膜晶體管相比，OTFT具有更多的優(yōu)點(diǎn)：首先現(xiàn)在有更多更新的制作有機(jī)薄膜的技術(shù)，如分子自組裝技術(shù)、真空蒸鍍、噴墨打印等：其次在制作有機(jī)薄膜的過(guò)程中，對(duì)氣體的條件和純度的要求比較低，從而簡(jiǎn)化了制作工藝，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，使用有機(jī)材料不但可以制作尺寸更小的器件，而且還可以通過(guò)適當(dāng)?shù)匦揎椨袡C(jī)分子結(jié)構(gòu)來(lái)改善OTFT器件的性能。除此之外，OTFT器件還具有很好的柔韌性，攜帶起來(lái)更加方便。有研究表明，對(duì)“全有機(jī)“晶體管(全部用有機(jī)材料制成的晶體管)進(jìn)行適度地扭曲或彎曲，并不會(huì)明顯地改變器件的電學(xué)特性，這種優(yōu)良的特性進(jìn)一步拓寬了OTFT的使用范圍。

結(jié)構(gòu)OTFT器件的結(jié)構(gòu)一般由柵極、絕緣層、有機(jī)有源層、源/漏電極構(gòu)成，一般可以分為兩類，即頂部電極結(jié)構(gòu)和底部電極結(jié)構(gòu)。頂部電極結(jié)構(gòu)是將源/漏電極完全沉積在有機(jī)有源層上面，常見的頂部電極式的結(jié)構(gòu)如圖1所示。底部電極結(jié)構(gòu)是將源/漏電極完全沉積在有機(jī)有源層下面，常見的底部電極結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般來(lái)說(shuō)，用同種材料構(gòu)成的頂部電極結(jié)構(gòu)式OTFT器件的性能比底部電極結(jié)構(gòu)式OTFT器件的性能優(yōu)越，因?yàn)轫?xiàng)部電極結(jié)構(gòu)OTFT器件的歐姆接觸電阻小，場(chǎng)效應(yīng)遷移率高，在一般的OTFT器件中都采用項(xiàng)部電極結(jié)構(gòu)。但是相對(duì)于頂部電極結(jié)構(gòu)OTFT器件，底部電極結(jié)構(gòu)OTFT優(yōu)點(diǎn)是更容易制造出高分辨率的顯示器件，在高分辨率OTFT顯示器件中多采用底部接觸式的結(jié)構(gòu)。

柵極絕緣層一般分為無(wú)機(jī)絕緣層和有機(jī)絕緣層。常用的無(wú)機(jī)絕緣層有：SiO：、SiNX等。常用的有機(jī)絕緣層有：并五苯(Pentacene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚酰亞胺(P1)、丙烯(AcwI)等。在柔性塑料基板上制作OTFT，一般選擇有機(jī)柵極絕緣層，因?yàn)橛袡C(jī)材料的性能與塑料基板及其TFT層之間的熱膨脹系數(shù)能更好得匹配。在OTFT器件中，PVP是最常用的有機(jī)柵極絕緣層材料，還有其它的一些有機(jī)絕緣層材料，其性能如表1所示。在有機(jī)有源層中，最常用的有機(jī)材料是并五苯，它是到目前為止發(fā)現(xiàn)的性能最好的有機(jī)有源層材料。隨著實(shí)驗(yàn)研究的不斷進(jìn)展，以Pen—tacene薄膜為材料制備OTFT器件的性能可以和非晶硅器件相媲美，甚至某些性能超越非晶硅。并五苯是5個(gè)苯環(huán)并列形成的稠環(huán)化合物，一般可以通過(guò)氣相沉積法制作，而其它的一些有機(jī)材料，如聚3一己基噻吩、聚芴基聚合物、 聚噻吩可以通過(guò)溶液工藝制作1。

相關(guān)新聞對(duì)有害化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)在環(huán)境保護(hù)、食品安全、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)以及國(guó)防軍事等方面都至關(guān)重要，而對(duì)光、溫度與壓力的靈敏感知在人工智能、人機(jī)界面、智能機(jī)器人、人工電子皮膚、可穿戴設(shè)備等前沿科研領(lǐng)域也極其重要?；趫?chǎng)效應(yīng)晶體管的傳感器兼具傳感與信號(hào)放大的功能，具有簡(jiǎn)單便攜、高靈敏和高選擇性等優(yōu)勢(shì)，并且部分有機(jī)半導(dǎo)體材料具有可以生物兼容和降解的潛力，因而有機(jī)晶體管傳感器在上述科研與應(yīng)用領(lǐng)域大有用武之地。

同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黃佳教授在國(guó)家“青年千人計(jì)劃”、上海市科委基礎(chǔ)處重點(diǎn)研發(fā)課題和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，在有機(jī)晶體管傳感器以及綠色、生物安全柔性電子器件方面取得了一系列的重要進(jìn)展。部分研究成果發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society)《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)《ACS納米》(ACS nano)以及《先進(jìn)科學(xué)》(Advance Science)等高水平的國(guó)際著名期刊。

課題組助理教授吳小晗博士近年來(lái)在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及上海市科委人才項(xiàng)目“揚(yáng)帆計(jì)劃”的資助下，發(fā)表SCI論文10余篇，部分成果以第一/共同通訊作者發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)（2篇）《先進(jìn)科學(xué)》(Advance Science)（2篇）以及《材料化學(xué)雜志A》(Journal of Materials Chemistry A)等高水平期刊。

在有機(jī)晶體管化學(xué)傳感器的研究發(fā)展過(guò)程中，對(duì)氣體和液體的傳感探測(cè)先后被實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)固體粉末樣品的快速直接檢測(cè)一直未能實(shí)現(xiàn)。而對(duì)固體粉末中的有害化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)，例如對(duì)奶粉中的三聚氰胺的快速直接檢測(cè)，具有較大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。黃佳課題組設(shè)計(jì)制備了新型的基于肩并肩有機(jī)二極管結(jié)構(gòu)的傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微量固體化學(xué)物質(zhì)在粉末樣品的靈敏檢測(cè)，可以在接觸樣品后有效檢測(cè)到固體粉末中含有的遠(yuǎn)低于我國(guó)食品安全標(biāo)準(zhǔn)的極低濃度的三聚氰胺。研究成果最近發(fā)表于化學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》

課題組還設(shè)計(jì)制備了微納孔有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器，利用氣體分子與場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)電溝道快速相互作用的機(jī)理，顯著提高了傳感器的靈敏度。對(duì)氨氣的響應(yīng)靈敏度超過(guò)340% /ppm，能對(duì)濃度低于億分之一的氨氣表現(xiàn)出明顯響應(yīng)，其檢測(cè)極限是論文發(fā)表時(shí)同類器件的最高記錄，成果發(fā)表于材料領(lǐng)域著名期刊《先進(jìn)功能材料》[Advanced Functional Materials. (2017)27, 1700018. 影響因子12.1]。此外該課題組還與環(huán)境學(xué)院李卓老師合作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飲用水中極低濃度的消毒副產(chǎn)物的有效監(jiān)測(cè)，研究成果最近發(fā)表于《材料化學(xué)雜志A》[Journal of Materials Chemistry A. (2017) 5, 4842. 影響因子8.9]。

在光敏傳感器的研究領(lǐng)域，黃佳課題組利用無(wú)機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)與有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合材料的性能互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，成功制備了有機(jī)光敏晶體管，能同時(shí)展現(xiàn)超過(guò)10000A/W的光響應(yīng)、大于1014Jone的光感極限、和優(yōu)異的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了以往的研究中很難獲得的多參數(shù)協(xié)同高性能，研究成果剛被材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《先進(jìn)材料》[Advanced Materials.(2017) Accepted, DOI: 10.1002/adma.201704062. 影響因子19.8]接收2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所