尊龙凯时



    








        
        
            
        
        













	

	

















	

	























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    中科院化学所在有机场效应晶体管研究领域取得系列进展
    

    

    日期 2005-12-09　  来源：　  作者：中国科学院化学研究所　 【大 中 小】　  【打印】　  【关闭】
    

    




　　在尊龙凯时会(项目编号：20472089、90206049、20404013)、科技部和中科院的支持下，中科院化学所有机固体重点实验室刘云圻研究员、胡文平研究员在高迁移率半导体材料和有机场效应晶体管研究方面取得系列研究成果。他们分别与武汉大学秦金贵教授，山东大学姜建壮教授，北京大学裴坚教授和日本电话电讯株式会社合作，2005年在《美国化学会志》等重要学术期刊发表了系列研究论文，受到国内外广泛关注，并应邀在《J. Mater. Chem.》杂志上发表了题为“有机场效应晶体管研究进展”的“Feature Article”。 

　　有机场效应晶体管（OFET）是通过调节栅极电压来控制源漏极之间电流大小的一种有源器件。OFET具有许多优点，如制备工艺简单、成本低和柔韧性好，可被用作智能卡、电子商标、电子纸、存储器、传感器和有源矩阵显示器。该研究致力于有机 共轭分子的设计、合成，包括线性分子、星型分子、平面型分子、环状分子和碳纳米管，以它们为半导体材料制备了有机场效应晶体管，研究了电性能。主要结果如下：

并五噻吩场效应晶体管

　　到目前为止，并五苯因其成膜性能好、高迁移率而成为被研究得最多的有机半导体材料。但并五苯也存在一些缺点，如稳定性不好，在整个可见区都有很强的吸收，限制了它在显示器领域里的应用。为此，他们设计了以噻吩为结构单元的并五噻吩。苯分子为六元环，6个 －电子；噻吩为五元环，也有6个 －电子。从本质上说，有机材料的电性能来源于 －电子的离域作用。很显然并五噻吩的共轭 －电子的离域作用将优于并五苯。另外，对于并苯体系，随着苯环个数的增加， 共轭体系变大，使得最高占有分子轨道与最低空轨道之间的能隙(Eg)变小，导致稳定性下降。而对于并噻吩体系则不然，随着噻吩个数的增加， 共轭体系变大，Eg也变大，以致稳定性增加。所以并五噻吩有可能具有更好的电性能和更高的稳定性。
他们合成了并五噻吩，进行了结构表征和薄膜性能研究，并以它为半导体材料制备了场效应晶体管。结果表明并五噻吩Eg为3.29eV,而相应的并五苯的Eg仅为1.85eV。热分解温度272oC。场效应迁移率0.045cm2/Vs，开关比103。预示着并五噻吩将是新一类有机半导体材料。有关研究结果发表在 J. Am. Chem. Soc. (2005, 127, 13281)上。



基于碳纳米管的场效应晶体管

　　基于碳纳米管的电子器件是纳米电子学的热点研究课题之一，具有重要的科学意义和应用前景。场效应晶体管是微电子学中最重要的单元器件。如互补金属－氧化物－半导体（CMOS）电路则由p-型和n-型两种场效应晶体管组成。在微电子学中，掺杂是调控半导体导电类型最重要的技术手段，例如在硅中掺入多一个价电子的元素（如磷或砷）则成为年n-型半导体；相反，在硅中掺入少一个价电子的元素（如铝镓砷）则成为年p-型半导体。该研究把这种微电子学中的掺杂技术扩展到纳米电子学中。他们首先制备了氮掺杂的多壁碳纳米管，然后利用聚集离子束技术制备了基于单根碳纳米管的场效应晶体管。氮掺杂的碳纳米管显示n-半导体特性，电子迁移率高达895cm2/Vs。另外他们还详细研究了碳纳米管和铂电极间的接触特性。输运实验的温度依赖性研究表明输运过程由热电子发射和通过0.2 eV肖特基接触位垒的隧穿所控制。有关研究结果发表在 J. Am. Chem. Soc. (2005, 127, 8614)上。



功能聚合物纳米器件研究

　　纳米器件的构筑方法主要有两种，以SPM系统构筑"模型器件"和以纳米间隙电极对构筑"实际器件"。共轭聚合物在纳米器件中的研究则鲜有报道，主要有两个原因：(1) 大多数共轭聚合物的分子缺乏足够的刚性，很容易团聚，导致其难以"站立"在基板上以SPM构筑 "模型器件"，或以纳米间隙电极对构筑实际的器件；(2) 大多数共轭聚合物分子缺乏特异的功能性端基，导致聚合物分子缺乏与基板或电极结合的能力，分子与电极的结合不稳。然而，对共轭聚合物纳米器件的研究，不仅可以将共轭聚合物拓展到纳米电子学领域，同时也为在纳米尺度/分子尺度上研究共轭聚合物，提供一个有益的手段。 
为此，他们合成了一种既具有一定刚性，又带有自组装端基的聚苯乙炔类分子。他们采用电化学沉积技术制备了纳米间隙的金电极对，结合电场诱俘和稀溶液自组装技术，成功地制备了基于共轭聚合物的纳米器件。其研究结果表明，这种聚合物纳米器件具有良好的光电响应行为，其对光的响应速度达400Hz，是一个纳米尺度的理想光开关。同时，该纳米器件表现出理想的p－型场效应晶体管的性能，在低温下观察到类似单电子的响应行为。这一研究结果为共轭聚合物在纳米电子器件中的应用开拓了新的思路。有关研究成果已经发表在J. Am. Chem. Soc. (2005, 127, 2804)上。



　　另外，他们还以环8吡咯（Langmuir, 2005, 21, 5391 ）、星型分子（Adv. Funct. Mater., 15, 818）、四氮杂并五苯(J. Mater. Chem., 2005, 15, 4894)、两亲性稀土双酞菁（Langmuir, 21, 6527）、两亲性稀土三酞菁(J. Am. Chem. Soc., 2005，127, 15700)等为有机半导体材料制备了场效应晶体管，研究了它们的电性能。