有機(jī)半導(dǎo)體單晶材料因其固有的機(jī)械柔韌性、出色的光吸收、低缺陷密度為構(gòu)筑備高性能柔性光電子器件提供了新的機(jī)遇。目前，通常利用場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFETs）架構(gòu)對(duì)有機(jī)單晶材料的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，即可利用經(jīng)典的MOSFET模型的轉(zhuǎn)移或輸出特性曲線來(lái)提取器件/材料場(chǎng)效應(yīng)遷移率（μ），閾值電壓（VT）等重要指標(biāo)。然而，傳統(tǒng)OFETs制備技術(shù)在電極/半導(dǎo)體和半導(dǎo)體/介電界面會(huì)引入諸多不良因素，導(dǎo)致有機(jī)單晶器件表現(xiàn)出非理想的電流-電壓（I-V）曲線，從而引發(fā)對(duì)材料性能的誤判。

近日，天津理工大學(xué)鄭磊，張楷亮團(tuán)隊(duì)聯(lián)合天津大學(xué)胡文平教授研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地論證了傳統(tǒng)OFET制備技術(shù)中引入的界面電阻、載流子陷阱、散射效應(yīng)等不良影響，并進(jìn)一步提出了一種高效的界面協(xié)同策略來(lái)獲得具有理想I-V曲線的有機(jī)單晶OFETs器件，該項(xiàng)工作不僅為提升單晶OFETs性能提供了有效的解決方案，還為有機(jī)半導(dǎo)體材料的準(zhǔn)確評(píng)估和商業(yè)化應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該研究以題為“Interface Collaborative Strategy for High Mobility Organic Single-Crystal Field-Effect Transistors with Ideal Current–Voltage Curves”的論文發(fā)表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

傳統(tǒng)MOSFET提取模型的不適性：這項(xiàng)研究工作中首先基于傳統(tǒng)的熱蒸鍍電極技術(shù)制備了非理想I-V曲線的有機(jī)單晶OFETs，隨后分別利用柵四探針技術(shù) (gFPP)和傳統(tǒng)MOSFET模型提取了器件的遷移率，其中g(shù)FPP技術(shù)是一種不受器件接觸電阻影響的復(fù)雜測(cè)試架構(gòu)。結(jié)果表明傳統(tǒng)MOSFET提取方法由于傳統(tǒng)電極制備技術(shù)引入的接觸電阻等影響，會(huì)對(duì)這類非理想器件的遷移率進(jìn)行錯(cuò)誤的評(píng)估（高估）。

圖1：傳統(tǒng)MOSFET參數(shù)模型局限性

電極-有機(jī)單晶半導(dǎo)體界面加工技術(shù)研究與改進(jìn)：為了更好的說(shuō)明上述問(wèn)題和改進(jìn)現(xiàn)有電極-有機(jī)半導(dǎo)體界面加工技術(shù)以獲得理想的有機(jī)OFETs，我們利用物理氣相沉積技術(shù)制備了三種不同功函數(shù)的高質(zhì)量有機(jī)單晶材料。首先在同一塊2,6-二(蒽-2-基)萘(2,6-DAN, HOMO≈5.37 eV)單晶上依次利用被廣泛研究地可轉(zhuǎn)移技術(shù)和熱蒸鍍技術(shù)制備了金源漏（Ff ≈ 5.2 eV）電極。基于XRD, 缺陷態(tài)密度和界面勢(shì)壘等參數(shù)表征和提取，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)熱蒸鍍技術(shù)會(huì)在電極-有機(jī)半導(dǎo)體界面引入晶格缺陷和無(wú)序，費(fèi)米釘扎等不良效應(yīng)，因此器件往往呈現(xiàn)出較高的接觸電阻和缺陷態(tài)影響，進(jìn)而引起非理想的電學(xué)行為和電學(xué)參數(shù)的錯(cuò)誤評(píng)估。相較而言，可轉(zhuǎn)移電極技術(shù)因其“非創(chuàng)傷”的電極-半導(dǎo)體界面可以高效地避免界面接觸電阻影響和額外引入地材料缺陷，在獲得理想的單晶器件更具優(yōu)勢(shì)。

圖2：傳統(tǒng)電極-有機(jī)單晶界面加工技術(shù)誘發(fā)的電學(xué)參數(shù)錯(cuò)誤評(píng)估

圖3：可轉(zhuǎn)移摻雜電極技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)理想的有機(jī)單晶OFET

然而，隨著單晶材料多樣化的發(fā)展需求，其功函數(shù)跨度較大，因此Au, Ag等常規(guī)電極材料難以與有機(jī)材料實(shí)現(xiàn)良好功函匹配, 進(jìn)而引入高的接觸電阻造成器件的非理想性。為了解決上述問(wèn)題，我們發(fā)展了一種可轉(zhuǎn)移的摻雜電極概念有望解決電極-有機(jī)半導(dǎo)體界面誘發(fā)的非理想器件。該策略在轉(zhuǎn)移電極技術(shù)的基礎(chǔ)上（圖中為本工作中采用的濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)，亦課拓展到干法轉(zhuǎn)移技術(shù)），進(jìn)一步利用了摻雜效應(yīng)（MoO3等）對(duì)電極進(jìn)行功函數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)制，有望拓展現(xiàn)有轉(zhuǎn)移電極技術(shù)的應(yīng)用廣度。具體研究中基于2,7-二(蒽-2-基)萘(2,7-DAN, HOMO≈5.5 eV)和1,5-二(蒽-2-基)萘(1,5-DAN, HOMO≈5.9 eV)有機(jī)單晶，進(jìn)一步利用不同MoO3摻雜厚度的金電極構(gòu)筑了上述單晶器件，印證了該方案的可行性和高效性。

絕緣層-有機(jī)單晶半導(dǎo)體界面匹配性研究：基于優(yōu)化后的電極-半導(dǎo)體界面加工技術(shù)，我們進(jìn)一步量化研究了絕緣層界面參量對(duì)器件理想性的影響。實(shí)驗(yàn)中采用干凈的SiO2，OTS，OTMS，PMMA修飾的SiO2，共4種絕緣層，隨后在上述絕緣層上批量制備了2,7-DAN有機(jī)單晶器件?；谄珘簯?yīng)力測(cè)試，各電學(xué)參數(shù)提取、電學(xué)曲線測(cè)量，接觸角測(cè)試，界面極性分量，表面能等界面參數(shù)表征，結(jié)果表明絕緣層表面極性（γsp）對(duì)單晶OFETs理想性的“雙刃劍”效應(yīng)，即具有較低γsp的絕緣層界面（例如OTS和OTMS修飾的器件）可以提高遷移率，但γsp過(guò)低會(huì)導(dǎo)致由于電荷散射效應(yīng)顯著而降低器件的理想特性（尤其是在高遷移率的單晶器件中）。此外，過(guò)高的γsp會(huì)引起顯著的界面陷阱效應(yīng)和接觸電阻影響，因此，采用適宜的界面極性的絕緣層是構(gòu)建理想的單晶OFETs的另一要素。

圖4：絕緣層種類對(duì)器件I-V曲線的影響

圖5：界面協(xié)同策略助力構(gòu)建理想單晶OFETs

基于上述研究結(jié)果，我們發(fā)展了一種高效的界面協(xié)同策略來(lái)構(gòu)建理想的（高遷移率）有機(jī)單晶器件，即利用可轉(zhuǎn)移的摻雜電極結(jié)合適宜γsp參量的絕緣層協(xié)同理念，進(jìn)一步基于多種有機(jī)單晶OFETs證實(shí)了該策略的普世性研究。

結(jié)語(yǔ)

有機(jī)電子學(xué)的未來(lái)發(fā)展，離不開(kāi)每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的優(yōu)化。這項(xiàng)研究為提升單晶OFETs性能和規(guī)范化評(píng)估有機(jī)半導(dǎo)體單晶材料提供了有價(jià)值的技術(shù)途徑。我們期待這一創(chuàng)新策略在更多有機(jī)電子器件中的廣泛應(yīng)用，為推動(dòng)有機(jī)電子學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。