天津大學Advanced Materials:基于N型二維有機單晶的高性能場效應晶體管和近紅外光電晶體管

【成果簡介】

有機場效應晶體管和近紅外光電晶體管因其在邏輯電路、夜視、健康檢測和紅外成像等各個領域都具有巨大的應用潛力，在過去幾十年來受到了全世界眾多研究者的特別關注。通常來說，敏感度（光信號區別于暗態信號）是評價一個近紅外晶體管性能的重要指標。為了獲得一個較高的敏感度和保證理想的晶體管行為，提高晶體管的載流子遷移率和降低暗電流通常是行之有效的方法。相較于傳統的無機紅外光電晶體管材料來說，π共軛有機半導體具有廉價、質輕、兼容柔性制備過程和快速室溫溶液加工等眾多優勢。然而當前的研究瓶頸問題主要有兩點：1、具有場效應遷移率超過1 cm^2? V^-1s^-1 的窄帶隙近紅外材料并不多；2、窄帶隙近紅外材料因為熱激發在黑暗條件下通常較高載流子密度從而暗電流高居不下。因此，開發出同時兼具較高場效應遷移率和超低暗電流的近紅外有機光電晶體管就顯得尤為重要。超薄二維有機單晶恰好具備了以上兩點優勢：一是長程有序無晶界的單晶，有利于制備高電子遷移率的場效應晶體管；二是僅有幾個分子層的超薄溝道，在閾值電壓附近可以處于完全耗盡層從而使暗電流得以降低。

近日，天津大學胡文平教授和張小濤副研究員（共同通訊作者）課題組基于本組開發的“溶液外延”生長方法，成功制備了一種在830 nm近紅外波段具有很強的吸收的呋喃噻吩醌式樣品（TFT-CN）的N型有機二維單晶。制備出的二維晶體最大尺寸可達毫米級別而厚度僅有4.8 nm，對應2~3個分子層。經過粉末X-射線衍射、偏光顯微鏡、選區電子衍射等表征，證明了毫米級別的超薄TFT-CN晶體為一整塊單晶并且沒明顯有晶界的存在。以TFT-CN二維有機單晶同時作為吸光層和導電溝道制備而成的有機近紅外光電晶體管顯示出了非常優異的性能。晶體管的場效應電子遷移率最高為1.36 cm^{2 ?}V^-1s^-1，平均為1.04 cm^{2 ?}V^-1s^-1，開關比可達10⁸。與此同時，光電晶體管在830 nm近紅外激光下的響應度（R）和外量子效率（EQE）非常高，分別為9×10⁴ A W^-1和4×10^6?%。更重要的是，通過與較厚的微納晶進行對比，基于二維單晶的近紅外光電晶體管在閾值電壓附近操作時顯示出了超過6×10^14?Jones的超高探測度（D*）和更低的暗電流（0.1 pA）。這也說明了這種高敏感的二維單晶有機近紅外光電晶體管有著巨大的潛在應用價值。

研究成果以題為“N-type Two-dimensional Organic Single Crystals for High Performance Organic Field-effect Transistors and Near-Infrared Phototransistors”發布在國際著名期刊Advanced Materials上，并被選為Frontispiece，第一作者為天津大學理學院博士生王聰。

【圖文導讀】

圖1. TFT-CN二維單晶的光學顯微鏡表征

a)TFT-CN二維單晶的光學顯微鏡照片；（b-d）TFT-CN二維單晶的偏光顯微鏡照片，顏色的均一變化證明了整個單晶取向相同沒有晶界。

圖2. TFT-CN二維單晶的晶體堆積方式的表征。

（a）TFT-CN二維單晶的粉末XRD衍射譜與單晶XRD衍射譜對照證明晶體c軸垂直于基底生長；

（b）TFT-CN二維單晶的原子力顯微鏡表征，證明晶體厚度僅為4.8 nm；

（c-f）TFT-CN二維單晶的透射電子顯微鏡表征和大范圍的選區電子衍射花樣證明在一個很大范圍內晶體質量較高而且取向一致沒有晶界；

（g-h）晶體的單晶結構和分子間距。

圖3. TFT-CN二維單晶基N型場效應晶體管性能。

（a）TFT-CN二維單晶基晶體管示意圖，插圖為溝道的光學顯微鏡照片；

（b）典型的TFT-CN二維單晶基晶體管轉移曲線和漏電流曲線；

（c）24個TFT-CN二維單晶基晶體管器件的遷移率分布圖；

（d）典型的TFT-CN二維單晶基晶體管線性區輸出曲線，證明了電極與半導體之間的良好的接觸和較低的注入勢壘。

圖4. TFT-CN二維單晶基紅外光電晶體管性能。

（a）TFT-CN二維單晶基紅外光電晶體管示意圖；

（b）暗態和不同強度的808nm激光下晶體管的轉移曲線 （1P=1 μW cm^-2）；

（c）閾值電壓移動和源漏電流與光強之間的線性關系；

（d）暗態和179.5μW cm^-2 的808nm激光下晶體管的輸出曲線；

（e）飽和區和耗盡區的響應度與光照強度的線性關系；

（f）飽和區和耗盡區的敏感度和歸一化探測度與光照強度的關系，其中器件在耗盡區附近運行時（V_GS=-2V）和179.5μW cm^-2 的808nm激光下，敏感度最大達到5×10⁵，歸一化探測度最大6×10¹⁴ Jones。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201706260

本文由天津市分子光電科學重點實驗室供稿。

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