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科技成果
李立强教授课题组:无惧强光的有机晶体管
发布者: 发布时间:2022-03-29

有机晶体管在柔性显示、透明电子、电子皮肤等领域具有广阔的应用前景,这些应用场景常需要器件暴露于光照环境中。例如,在显示驱动电路和射频识别标签电路中,有机半导体的本征光电响应会造成晶体管的阈值电压漂移和输出电流波动,进而导致显示异常与信息失真。因此,有机晶体管在光照条件下的稳定性对实际应用至关重要。传统方案采用阻光层抑制光电响应实现光物理稳定性,但这一方案不适于未来的柔性、透明电子学。因此,需要新策略抑制有机半导体材料的本征光电响应,构建在日光(约138 mW/cm2)等强光辐照下稳定工作的晶体管,该任务存在巨大挑战。


图1 有机晶体管光电响应的激子动力学过程

有机半导体材料光电响应的光物理过程包括以下关键步骤:光吸收与激子生成、激子扩散、激子分离、电荷输运(图1)。要增强有机晶体管的光稳定性,需要有效阻断上述光物理过程。在有机晶体管中,本征光吸收导致的激子生成过程与偏压驱动的电荷输运过程难以完全阻断。因此,精准调控激子动力学过程,在激子分离前将其淬灭,是抑制有机半导体材料本征光电响应、构建光稳晶体管的有效策略。

针对上述应用需求和科学挑战,天津大学分子聚集态科学研究院李立强教授提出了极化子—激子淬灭策略有效抑制了有机半导体本征光电响应。以此为指导,开发了两种激子淬灭策略:分子内极化子—激子淬灭策略与界面极化子—激子淬灭策略。

图2 本征光稳定有机半导体分子TFP-TT-TPA和光稳定晶体管

1.分子内极化子—激子淬灭策略

设计合成了一种含给体—受体相互作用的中心对称分子TFP-TT-TPA,在光照下,该分子发生分子内电荷转移,形成分子内极化子。光生激子能被分子内极化子淬灭,从而阻断激子分离过程,有效抑制了器件的光电响应(图2)。在该策略作用下,基于TFP-TT-TPA分子的有机晶体管可以在170.4 mW/cm2的强光辐照下稳定工作。该工作开发了本征无光电响应的新型半导体材料,为光稳分子的设计提供了新思路。相关工作发表于Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater.2022, 2111705)。

图3 基于聚合物电解质介电层抑制有机半导体分子本征光电响应,构筑光稳定晶体管

2.界面极化子—激子淬灭策略

极化子的密度决定着极化子—激子淬灭效率。采用具有双电层电容性质的聚合物电解质材料(聚丙烯酸)作为有机晶体管的介电层,该介电层在栅电压作用下发生电离。相应的离子在电场驱动下迁移到介电层/半导体界面,在有机半导体中诱导出高密度电荷。同时,在异性离子的库伦力作用下,大量的电荷被静电束缚在介电层/半导体界面上形成界面极化子。如图3所示,高密度界面极化子能够高效淬灭光生激子,淬灭效率高达70%。该策略具有优异的分子普适性,有机晶体管的耐受光强最高可达214 mW/cm2,有效抑制了有机半导体的本征光电响应。相关工作发表于ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces2022,14, 13584)。

以上工作分别通过分子设计和界面工程抑制了有机半导体的本征光电响应,构建了在强光辐照下稳定工作的有机晶体管,耐光强度显著优于文献报道水平(几十mW/cm2)和太阳光辐照强度(138 mW/cm2),为有机晶体管在强光辐照环境中的应用提供了高效的解决方案。

Advanced Functional Materials文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202111705

ACS Applied Materials & Interfaces文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c23994

导师介绍:李立强,天津大学教授、博士生导师,2002年和2005年在南开大学获得学士和硕士学位,2008年在中科院化学研究所获得博士学位(导师:胡文平研究员、朱道本院士)。2008年至2014年在德国明斯特大学物理所从事博士后研究工作(合作导师:迟力峰教授),2014年加入中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,任研究员,2019年调入天津大学。一直从事有机场效应晶体管材料与器件研究,重点聚焦有机半导体的失稳机制与增稳策略。在Adv. Mater.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等期刊上发表文章80余篇。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、天津市杰出青年基金项目,参与国家自然科学基金创新研究群体项目和重点项目。