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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)致分子溶液的擴散面積有限，這阻礙了有機晶體的大面積組裝。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單晶仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。


  近日，天津大學(xué)胡文平團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；诖，我們通過簡單的溶液滴注方法，獲得多種有機半導(dǎo)體單晶陣列的制備，進而基于高質(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18.63 cm2 V?1 s?1（平均遷移率高達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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