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有机半导体的发展介绍
时间: 2020-06-28 05:32
有机半导体是由有机分子组成的材料,特殊的结构让其具有导电性,其导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。与金属和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当

有机半导体是由有机分子组成的材料,特殊的结构让其具有导电性,其导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。与金属和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。

1947年12月,美国贝尔实验室的Bardeen、Shockley和Brattain用元素锗(Ge)发明了世界上第一个晶体管(图1),打破了电子管在体积、功耗、寿命等方面的局限性,使电子技术跃入一个新的纪元。20世纪后叶的50多年里,从基本的分析电路到数字逻辑电路,再到现代的超级计算机和笔记本电脑等中的各个重要部件及微加工工艺,基于硅(Si)、锗(Ge)和Ⅲ~V族化合物的无机场效应晶体管显示出对现代电子时代的重要影响。

1986年第一个聚噻吩场效应晶体管发明以来,有机场效应晶体管飞速发展,有机半导体材料、器件以及制备工艺的研究也取得了日新月异的进展。作为当前迅速发展的新兴的交叉学科,有机电子学是主要研究有机材料的电学性能以及相关电子器件的制备,涉及有机导体和超导体、有机半导体、有机绝缘体等方面的研究。现如今基于半导体材料的有机薄膜晶体管、有机电致发光器件、有机太阳电池、有机传感器和有机存储器也不断地走入人们的视野。短短的30年间,有机场效应晶体管的器件性能和稳定性都得到飞跃性的提高,迁移率从起初的10^–6~10^–5cm^2/(V·s),上升到现在的100cm^/(V·s)[1]。

有机场效应晶体管为代表的有机电子器件日益受到关注,这主要是由于与传统的硅工艺相比,有机场效应晶体管的制备工艺要简单得多,省去了诸如高温、高真空沉积技术以及光刻等很多复杂的加工过程,可以大大降低工业成本。再者,由于有机材料的可弯曲特性,使其可以很好地与柔性衬底兼容,可以得到质量轻、可弯曲甚至可以折叠的电子产品(图2)。自1986年第一个有机场效应晶体管报道以来[2],关于有机电子器件的研究,无论是在材料本身性能的提高上,还是器件结构和加工工艺的改进上,都得到了飞速的发展。有机场效应晶体管已经应用于各种电子器件中(图3),如电子报纸[3]、传感器[4,5]和存储器件[6]等。

目前,有机场效应晶体管虽然在某些方面比不上无机器件。例如,硅和锗都有着数量级在10^3cm2/(V·s)的电子迁移率,而有机半导体材料迁移率虽然可以通过各种方法达到20~40cm2/(V·s)[7,8],甚至达到100cm2/(V·s),但是和无机材料的迁移率相差甚远,因而有机场效应晶体管很难应用于高开关速度的器件。但正是有机器件在加工工艺上的优势以及目前已有的器件性能,使有机场效应晶体管有利于较大覆盖面积、柔性结构、低温加工,尤其是低成本产品的生产,其中包括有源矩阵平板液晶或有机发光二极管(OLED)显示器的开关器件。

这里列举四个方面说明有机场效应晶体管能够作为现有无机器件的替代和技术补充,而且已经在全世界范围内占据有数216亿美元的市场份额,如表1所示:首先,有机器件的性能目前已经达到了部分传统技术生产出的器件,并且拥有更广泛的应用前景;其次,有机器件的某些特性是无机器件所无法实现的,如可折叠或可弯曲特性,以及近室温下加工工艺和与柔性塑料衬底的良好兼容,这些特点使其成为传统工艺的补充;再次,简单、廉价的加工工艺使工业生产成本大大降低,直接面向低端产品市场;最后,由于成本的降低和低廉的产品价格,使使用者对产品使用寿命的降低不再敏感,因此不必苛求达到无机器件的工作性能。

如图4给出了从1985~2015年所报道的用有机场效应晶体管器件测量的最高迁移率数值和实际应用图。可以看到,在30年的时间里,有机晶体管的迁移率得到很大的提高。目前,具有高迁移率且被广泛应用的有机材料主要为并五苯(Pentacene)、异丙基硅炔基并五苯(TIPS-PEN)、噻吩低聚体和局域有序的聚噻吩以及C8-BTBT等,它们各项的器件性能似乎已经达到了成熟和饱和。甚至可以认为,目前室温下的加工工艺所能得到的器件迁移率已经达到或接近于有机半导体材料的本征“极限”。

作为一个新兴发展起来的器件领域,其性能的提升通常经过这样的过程:首先是将新合成的有机半导体材料应用到有机晶体管,不断优化薄膜沉积工艺和液相工艺,找到对于该材料最佳的器件结构和工艺方法,并通过器件性能来检验材料特性,选一步提高材料性能,以此循环。以往,器件性能的提高注重在有机半导体材料的迁移率上,而自2002年以来,更多的注意力放在了高迁移率和性能稳定的材料合成和开发上。研究注意力的这种转移,也使研究工作从过分对半导体材料的迁移率的提高上解放出来,并且逐渐认识到其他因素对器件性能的重要影响,以及重新关注有机半导体的基本电子结构,尤其是半导体-绝缘层界面电子传输的微观机理在宏观器件性能中的体现。

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