全集成微型准二维分子晶体薄膜场效应晶体管学术资讯

来源：X一MOL资讯

与硅、砷化镓等无机半导体相比，由共轭分子和聚合物构成的有机半导体材料具有光电性质易调控、低成本、与柔性基底兼容等优点，在柔性显示、大面积电子器件、低成本处理器、软体机器人等领域有巨大的应用潜力。集成制备微米级尺寸的有机电子器件是实现上述应用的技术关键。近日，德国开姆尼茨理工大学（Chemnitz University of Technology）和莱布尼茨固体材料研究所（Leibniz IFW Dresden）的朱峰博士、Oliver G. Schmidt教授领导的课题组与中国科学院长春应用化学研究所的田洪坤研究员团队合作，发展出一类“全集成微型有机薄膜场效应晶体管器件（micro-OFET）”。

开发轻便、可弯折、低成本的柔性电子器件和可穿戴电子设备是未来消费电子市场的重要趋势，基于有机半导体材料的多功能器件也随之成为研究热点。近年来，有机半导体材料的合成制备和功能调控已经日趋成熟，但是由于缺乏相应的先进集成微加工方法，有机微型集成器件的发展和产业化进程受到了严重制约。相比于掩模蒸镀、打印等技术路线，光刻加工在微米级集成和精确图案化过程中具有明显优势。然而，弱的分子间作用力和较差的化学稳定性导致利用传统光刻技术加工有机半导体材料面临难以克服的技术障碍：一方面，难以制备微米尺度的高迁移率有机半导体元件；另一方面，难以实现高密度阵列的大面积平行加工。长期以来，基于光刻工艺的单个有机薄膜晶体管迁移率小于3 cm2/V•s，占位面积大于2000 μm2。

针对以上难题，合作团队结合工业级自上而下（top-down）的图案化微加工方法与自下而上（bottom-up）的分子薄膜生长原理，提出了基于分子限域自组装生长机制的无损光刻加工技术路线，开发出具有高迁移率和微米级尺寸的有机场效应晶体管及阵列。预先图案化的纳米级高度平台可以有效限制分子的自由扩散过程，结合早期开发的不对称分子BTBT-T6优异的成膜能力（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 35427），实现了可精确定位图形化的微米级准二维分子单晶畴。制备出产率为100%、密度大于105/cm2的有机微米单晶薄膜阵列。此外，充分利用酞菁分子间的异质结效应实现了微电极（Au）与有机半导体层的欧姆接触（NPG Asia Mater., 2010, 2, 69）。单个器件沟道长度和宽度降低到5微米，占位面积小于200 μm2，最高迁移率达到34.6 cm2/ V•s，平均迁移率达到16.4 cm2/ V•s。此项工作为实现有机薄膜晶体管在显示阵列、微型系统中的应用，以及推动有机薄膜晶体管与当前市场高分辨率OLED像素的集成提供了可行途径。

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