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课题组有机薄膜晶体管研究被“Journal of Materials Chemistry C”正式接收
来源:陆旭兵教授个人网站 发布日期:2017-10-29

用臭氧“杀杀菌”,提高迁移率

W. Y. Wei, C. Yang, J. Y. Mai, Y. F. Gong, L.S. Yan, K. Zhao, H. L. Ning, S. J. Wu, J. W. Gao, X. S. Gao, G. F. Zhou, X. B.Lu(陆旭兵), and J. –M. Liu(刘俊明)


据说二十一世纪是一个信息化、网络化、全球化的大数据时代,人类能够将“信息”传输渗透到地球的每一个角落。信息终端随着大型主机逐渐向可穿戴设备演变,柔性电子的时代即将到来,虽然我们的衣服和袜子就都是柔性的。外面冷了,我们迟疑一下,加一件柔性的衣服,基本也可以达到御寒的效果。


不过说真的,作为搭建起整个柔性电子时代的砖瓦,高性能有机薄膜晶体管的性能显得尤为关键。当前有机晶体管的性能跟Si基晶体管还远不能比拟,制约其性能的一个非常重要的因素是器件沟道的载流子迁移率。事实上,石墨烯和一众二维材料在半导体应用上之所以倍受青睐,就是因为其预言的载流子迁移率高得惊人,虽然实际上还差得很远。这种理论预言与实际现实的空挡就给了有机电子器件以生存的机会,因此,提升有机电子器件载流子迁移率依然是热点课题,是决定有机晶体管能否实际应用的关键之一。


由于载流子传输沟道产生在绝缘层与半导体层之界面处,因此,引入半导体层跟绝缘层界面间的修饰层被认为可以消除表面缺陷、提高界面质量、进而提高薄膜晶体管的迁移率。这一思路看似简单、快捷、有效,虽然实际上也还未做到。跟石墨烯和二维材料这些“青千”和“优青”们比起来,有机半导体这些未得头衔的老材料也有同样的问题:缺陷、杂质、各种电荷缺陷等等,如顽疾一样,很难完全被搞定。


例如,对溶液法制备的有机薄膜晶体管,提高迁移率就不仅仅是引入修饰层那么简单。一方面,修饰层的低能表面总体呈现出疏水状态,旋涂的半导体薄膜容易呈现出各种非连续形态:pin hole、comet streak等容易出现在半导体层表面,阻碍半导体层有序成膜,从而显著降低器件迁移率。另一方面,溶液法制备半导体层的溶剂也会对修饰层造成影响。这些溶剂会部分或者完全溶解已存在的修饰层,大大增大界面间粗糙度,使得修饰层的引入有“百害而无一利”。


虽然很多人试图通过UV、Plasma等手段增加修饰层表面能,或者使用有机单分子层作为修饰层解决以上问题。这些“修饰”手段不可谓不高效,通过传统“修饰”方法制备的晶体管,作为当前有机小分子半导体的优秀代表C8-BTBT,其迁移率始终徘徊在3 cm2/(Vs)左右。修饰层的制备也确实耗费时间精力,着实将整个溶液法制备晶体管流程搞得非常复杂。因此,我们迫切需要一种跟溶液法制备晶体管相兼容的“修饰”手段,以期获得更好性能的薄膜晶体管。


与其“添砖加瓦”不如“删繁就简”。与传统修饰方法相比,我们将紫外臭氧技术直接作用于绝缘层表面,省去了繁琐的修饰层制备过程。结果也算不错,根据紫外臭氧处理时间的不同,绝缘层表面呈现出一个润湿性、表面能与表面清洁度相互竞争的关系。有了这种关系,我们只需要在“舍与得”之间寻找最优解的过程,这种“舍得”之事对我们这些没有头像的老人来说已经是逆来顺受、非常习惯了。我们以C8-BTBT作为研究对象,采用溶液旋涂法在SiO2上制备有机半导体层。在旋涂前,通过精确控制紫外臭氧照射SiO2绝缘层的时间,可以改变绝缘层的表面能、润湿性以及清洁度,可以改变C8-BTBT半导体薄整体的粗糙度、生长有序性以及结晶性,从而提高薄膜晶体管的整体性能。


奇妙的是,一分钟紫外臭氧处理器件,其迁移率就有了显著的提高,达到了可以跟单晶器件媲美的6.50 cm2/(Vs)。注意,这只是一分钟!基于以上结果,我们认为紫外臭氧表界面处理是一种简单有效的界面处理手段,在未来溶液法制备高性能的薄膜晶体管中具有良好的应用前景。


当然,这个迁移率跟石墨烯和一些二维材料比较起来还是有一些距离。如果没有距离,这个工作应该就不只是在JMCC上了。一切都是定数,就是如此!

(陆旭兵撰稿、刘俊明修订)


The interface between the dielectric and the active layer plays a critical role on the performance of solution-processed organic thin-film transistors (OTFTs).However, the creation of a high quality interface still represents a considerable challenge because it requires the balancing of surface energy with surface wettability. This study shows that UV-ozone treatment is very effective to obtain a high quality interface between a dielectric SiO2 film and a solution-processed 2,7-dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]-benzothiophene (C8-BTBT) semiconductor film. After only one minute UV-ozone exposure on the SiO2 surface, the hole mobility at room temperature reaches 6.50 cm2 (Vs)-1 for a solution-processed C8-BTBT-OTFT. UV-ozone treatment can not only modify both surface energy and surface wettability but also clean the SiO2 surface.Consequently, it changes the degree of ordered growth, grain sizes, and grain boundaries in C8-BTBT films. Hence, UV-ozone treatment is a simple and efficient way to produce the desirable interface qualities that enable the highly ordered growth of C8-BTBT films. Using this method it is also very promising to produce a high-quality interface between the dielectric film and other solution processed organic semiconductors to fabricate other high-performance OTFT applications.




论文链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2017/tc/c7tc03794e

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