溶液相自组织沉积有机小分子晶体实现高性能场效应管研究

Organic fiel-effect transistors based on solution-processed small-molecule crystals have been the subject of intensive interest because of their possessions of great advantages and potentials. They allow for high-performance and low-cost devices that are beneficial for the future development of organic electronics. Moreover, self-organizing depostion technique in microsolutions that can lead to the organic semiconducting crystals exhibiting high field-effect mobility and controllable crystal orientation in designated substrate regions is highly attractive, because it acts as a great importance for the applications in commercial electronics. In this project, we will apply the solvent-vapor annealing process to the blends of organic semiconducting small molecules and insulating polymers in microsolutions. We will systematically investigate the mechanism of organic small-molecule crystal growth in microsolutions. We will develop a highly advanced technology for solution-processed, self-organized organic crystals arrays deposited with controlled orientation in well-defined geometric position by using pre-treatments of substrates, capillary effects (such as Marangoni effect and liquid bridge force) in microsolution. Furthermore, we will reveal the influences of microsolution effects on the properties of organic crsytals (such as their molecular packing, dynamic mechanism of crystal growth, and charge transport), in order to reach the achievement of high-performance organic field-effect transistors with the mobility up to 10 cm2/Vs.

随着有机电子学及其电子器件研究的不断发展,为进一步提高器件性能、降低制备成本,基于溶液相有机小分子晶体的场效应管因其显著的优势而受到广泛关注。微溶液自组织沉积工艺可使有机半导体晶体在衬底上的位置和晶向有序可控，大幅提升迁移率，有望在器件制备得到实际应用和推广。本项目将采用半导体性有机小分子与绝缘性聚合物混合溶液体系，利用溶剂气相退火方法，以微溶液流动控制为切入点，系统研究微溶液中有机小分子的晶体生长过程、机制；通过对衬底表面构建亲疏水微区域的预处理，利用马拉高尼效应、液桥力在微溶液中的作用，实现有机晶体沉积位置与取向的高度有序可控的自组织沉积；研究微溶液流动控制在晶体内分子排列、电荷传输上的作用，揭示有机小分子在溶液相晶体生长过程中微溶液流动控制对其物理性质（分子排列、晶体生长动力学机制）及输运现象（电荷传输）的影响，获得迁移率达到10cm2/Vs的高性能场效应管及阵列。

随着有机电子学及其电子器件研究的不断发展,为进一步提高器件性能、降低制备成本，基于溶液相有机小分子晶体的场效应管因其显著的优势而受到广泛关注。微溶液自组织沉积工艺可使有机半导体晶体在衬底上的位置和晶向有序可控，大幅提升迁移率，有望在器件制备得到实际应用和推广。..本项目主要开展了溶液相制备有机小分子晶体及其高性能有机场效应晶体管器件应用的研究。1. 我们首次使用滚珠笔作为简单的和有效的工具，通过液相法沉积有机半导体晶体，制备的有机场效应晶体管具有良好的器件性能，通过理论模拟发现沉积过程中微溶液行为有利于大面积有机晶体的形成，该研究结果开辟了“笔写”有机电子器件的新方法。2.采用溶剂气相退火方法，成功制备大尺寸的PCBM单晶体，研究发现PCBM晶体的大小和形态受不同衬底和退火溶剂的影响，该研究结果表明溶剂退火方法是具有普适性的生长高质量有机单晶的方法。3.创新性的提出“漂浮的咖啡环效应”，成功制备出高质量的有机二维分子晶体，该方法可以精确的调控二维分子晶体的分子层数，并且得到同类器件中迄今最高的电学性能，该研究结果被证明是生长二维分子晶体极具潜力的方法，通过生长机制的研究探索了二维分子单晶在溶液相生长过程中的几个根本问题，进一步推动这一新材料体系的研究进展。4.系统研究了有机场效应晶体管各功能层及界面对器件性能的影响，通过材料选择、界面优化、制备方法调控等方法，实现了低工作电压、低阈值电压的高性能器件。该研究结果对于有机场效应晶体管器件物理的研究起到了积极作用。..此外，基于以上在有机小分子晶体溶液相制备、器件性能优化等方面的研究结果，我们实现了高性能铁电有机场效应晶体管存储器，从而有效拓展了项目研究成果在其它功能性器件中的应用。我们通过界面钝化、界面电荷转移效应等方法，实现了同类器件中最高性能的场效应晶体管存储器，并且首次有效的降低了该器件中的接触电阻。该研究是我们在铁电有机场效应晶体管存储器研究上取得了一系列成果，是有机电子器件物理在应用拓展上的有效利用，推动这一研究领域的进展。