天津大学胡文平教授、杨方旭副教授《Adv. Mater.》：实现面向柔性电子的可弯曲的高性能有机单晶与场效应晶体管阵列

2022-08-13 来源：高分子科技

高性能可弯曲的晶体管器件是柔性电子产品的重要组成部分。在众多材料中, 聚合物栅极电介质和超薄有机晶体为构建高性能OFET提供了本征柔性和天然的相容性。然而，如何在常用于柔性器件的聚合物基板上制备大面积的有机单晶仍面临较大的挑战。一方面，疏水性聚合物表面通常导致分子溶液的扩散面积有限，这阻碍了有机晶体的大面积组装。此外，由于聚合物通常具有良好的溶解性，较长的组装时间可能会损坏下面的聚合物表面。另一方面，大面积有机单晶的生长需要复杂的组装策略，例如溶液剪切，溶液外延，空间限制策略等。然而，这些技术并没有实现在聚合物基板上原位组装大面积有机晶体，这导致它们的灵活应用需要后续复杂的转移技术。因此，如何在聚合物表面原位组装大面积有机单晶仍然是一个巨大的挑战。

近日，天津大学胡文平团队提出了使用聚酰胺酸（PAA）作为生长模板辅助半导体结晶，使其利用简单滴注的方法即可制备大面积超薄有机单晶阵列。PAA可作为表面辅助结晶模板有三个关键的因素：1.较高的表面能可以保证溶液实现完全的铺展；2，其独特的表面特性使得溶液蒸发时，形成稳定后退的三相接触线（TPCL），与“弯液面诱导”技术相似；3，表面独特纳米凹槽的特性，使其高效诱导分子结晶。基于此，我们通过简单的溶液滴注方法，获得多种有机半导体单晶阵列的制备，进而基于高质量单晶阵列分子级薄、原子级平整且长程有序的结构特点结合聚合物的栅绝缘层实现了高性能可弯曲晶体管阵列的制备。通过器件表征发现，所得到的C8-BTBT单晶阵列的载流子迁移率高达18.63 cm² V^?1 s^?1（平均迁移率高达15.92 cm² V^?1s^?1）和?3 V的低工作电压，优于大多数报道的基于C8-BTBT薄膜的器件。该表面辅助组装的策略可应用于不同的有机半导体，均制备了高质量的单晶阵列，且获得了具有竞争力的场效应性能。得益于高质量的超薄单晶通道与聚合物电介质的结合，制备的柔性晶体管在不同的曲率半径下(r = 5 mm~20 mm)，可保持良好的电学性能，为构建高性能柔性电子设备提供了广阔的前景。

以C8-BTBT为例，基于DFT理论计算了C8-BTBT分子在PAA表面吸附情况，证明了这种特殊结构使得C8-BTBT分子在PAA表面实现更有序的堆积，从而提高分子的结晶度。（图1）在PAA表面组装大面积C8-BTBT单晶阵列的过程主要分为三个阶段，包括润湿、三相线钉扎和三相线后退。（图2）制备的柔性晶体管在不同弯曲半径下性能几乎保持不变，展现了优异的弯曲稳定性。

图1a-d，C8-BTBT在PAA表面吸附图；图1e，生长示意图

图2，基于C8-BTBT晶体的柔性OFETs器件性能表征。

该研究成果以题为“Challenging Bendable Organic Single Crystal and Transistor Arrays with High Mobility and Durability towards Flexible Electronics”发布在国际著名期刊Advanced Materials上，第一作者为天津大学理学院博士生付倍倍，杨方旭副教授和胡文平教授为本论文的通讯作者。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202203330

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（责任编辑：xu）

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