高性能薄膜晶体管:有机电子的前景将更加光明！

我们生活中遇到的大部分电子器件通常是由硅等无机材料制成的，属于无机半导体器件。然而，由于刚性、脆性、高成本、工艺复杂和生物相容性差等诸多缺点，传统的硅基半导体正面临着严峻的挑战。此外，硅基半导体的制造工艺正在接近物理极限。

因此，世界各地的科学家都在开发各种新的电子设备来克服这些缺点，进一步提高电子设备的性能，扩大其应用场景。近年来，一种新型的电子器件备受科学家追捧，它是由有机半导体材料制成的有机电子器件。有机电子器件不仅具有良好的柔性和透明性，而且超薄、超轻、环保。这些材料可以通过简单、环保和低成本的工艺进行处理，例如制作溶液和大面积印刷。

这些更加柔性、轻便、便携、透明的有机电子产品可以应用在很多领域，比如柔性太阳能电池、柔性显示器、柔性传感器、柔性可穿戴设备、植入式设备等等。其中，有机发光二极管(有机发光二极管)是商业化成功的典型案例，最新一代智能手机已经开始采用有机发光二极管显示。

改革

今天，我想介绍一个有机电子学领域的新进展。

最近，东京工业大学材料科学与工程系的Tsuyoshi Michinobu和王洋领导的研究小组报告了一种具有世界领先的电子迁移率性能的单极N型晶体管。他们采用了一种新的方法来提高半导体聚合物的电子迁移率，这在以前被证明是很难优化的。他们的高性能材料达到了7.16 cm2 V？1 s？与以前的可比结果相比，1的电子迁移率提高了40%以上。

发表在《美国化学学会杂志》上的论文显示，他们专注于改善所谓的“N型半导体聚合物”材料的性能。n型材料主要由带负电荷的电子传导；相对来说，P型材料主要是带正电荷的空穴导电。Michinobu解释说:“由于带负电的原子团与带正电的原子团相比具有内在的不稳定性，因此制造稳定的N型半导体一直是有机电子学领域的重要挑战。”

技术

然而，这项研究不仅满足了基本的挑战，而且满足了实际的需要。王说，比如很多有机太阳能电池就是由P型半导体聚合物和N型富勒烯衍生物制成的。缺点是后者价格昂贵，难以合成，与柔性器件不兼容。他说:“为了克服这些缺点，高性能N型半导体聚合物非常有希望推动全聚合物太阳能电池的研究。”

该团队的方法包括采用一系列新的苯并噻二唑-萘二酰亚胺衍生物，并微调材料的主链构象。这种方法可以通过引入“1，2-亚乙烯基桥”来实现。以前的研究表明，这种结构被认为是一种有效的间隔基，但这种间隔基从未用于本研究中涉及的聚合物。它可以与相邻的氟原子和氧原子形成氢键。这些“1，2-亚乙烯基桥”的引入需要能够优化反应条件的重要技术。

一般来说，生成的材料具有更好的分子组装有序性和更高的强度，有利于提高电子迁移率。

使用掠入射广角X射线散射(GIWAXS)和其他技术，研究人员确认他们实现了非常短的“π？π堆积距离”只有3.40艾米(一艾米是十分之一纳米)。这个距离测量电荷在电荷中需要被携带多远。Michinobu说:“对于具有高迁移率的有机半导体聚合物来说，这个距离是最短的。”

价值

这一成果预示着有机电子学将迎来一个令人兴奋的未来，科学家将开发创新的柔性显示器和可穿戴技术。

将来的

此外，研究人员还面临几个挑战。他说:“我们需要进一步优化骨干结构。同时，侧链基团在决定半导体聚合物的结晶度和封装方向方面也起着重要作用。我们仍有改进的空间。”

王指出，对于已报道的聚合物，最低空分子轨道(LUMO)能级在？3.8 eV到？在3.9 eV之间，他说:“LUMO能级越深，电子传输越快，越稳定。因此，例如通过引入sp2-N、氟原子和氯原子的进一步设计将有助于实现更深的LUMO能级。”

未来，研究人员还将计划提高N沟道晶体管的空气稳定性。对于互补金属氧化物半导体(CMOS)逻辑电路、全聚合物太阳能电池、有机光电探测器和有机热电器件等实际应用，空气稳定性是一个非常关键的问题。

参考数据

1 https://www . titech . AC . jp/English/news/2019/043699 . html

2 http://dx . doi . org/10.1021/jacs . 8b 12499