清華大學(xué)集成電路學(xué)院/集成電路高精尖創(chuàng)新中心賀明團(tuán)隊(duì)在有機(jī)半導(dǎo)體單晶研究中取得重要進(jìn)展

2025-02-27 14:13:02來(lái)源：清華大學(xué) 閱讀量：13037 評(píng)論

　　有機(jī)聚合物半導(dǎo)體憑借其結(jié)構(gòu)多樣性、電學(xué)多功能性和本征機(jī)械柔韌性的獨(dú)特結(jié)合，在可穿戴電子、仿生電子和神經(jīng)形態(tài)電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。單晶是構(gòu)筑高性能電子器件以及探索材料結(jié)構(gòu)-性能本征關(guān)系的理想平臺(tái)。但是，聚合物長(zhǎng)鏈有序排列需要克服極大的熵懲，同時(shí)涉及復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。盡管外力誘導(dǎo)有助于提升長(zhǎng)鏈有序排列，但是難以有效調(diào)控單鏈構(gòu)象。如何平衡單鏈構(gòu)象和長(zhǎng)鏈大面積有序排列的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)限制，制備高質(zhì)量有機(jī)聚合物半導(dǎo)體單晶薄膜，仍然是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題。

　　針對(duì)這些問(wèn)題，北京大學(xué)集成電路學(xué)院/集成電路高精尖創(chuàng)新中心賀明研究員團(tuán)隊(duì)提出了納米限域極化誘導(dǎo)(nano-CMDO)通用策略，制備了一系列不同類型的有機(jī)共軛聚合物單晶薄膜，包括聚噻吩P3HT、并噻吩均聚物PBTTT、p-型電子供體-受體共聚物DPPT-TT以及n-型電子供體-受體共聚物N2200等，解決了有機(jī)共軛聚合物單晶薄膜缺乏通用制備方法的難題。所制備的共軛聚合物單晶薄膜表現(xiàn)出超高的能量有序度，最小的Urbach能量?jī)H為25meV，甚至低于室溫的熱漲落能量kBT=26meV，展現(xiàn)出接近理想狀態(tài)的空間限制電流(SCLC)輸運(yùn)。其中，DPPT-TT單晶薄膜晶體管遷移率達(dá)到15.5cm2V-1s-1，是目前文獻(xiàn)報(bào)道的最高值，充分展現(xiàn)出共軛聚合物單晶薄膜在先進(jìn)有機(jī)電子器件方面的巨大潛力。

　　研究團(tuán)隊(duì)利用第一性原理計(jì)算，以典型共軛聚合物P3HT為例，模擬在基底自組裝誘導(dǎo)和取向電場(chǎng)極化誘導(dǎo)雙重限域條件下，P3HT分子鏈克服扭轉(zhuǎn)勢(shì)能形成平面鏈結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程(圖1a—b)；進(jìn)一步仿真結(jié)果表明，這種雙重限域誘導(dǎo)對(duì)于分子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的PBTTT、DPPT-TT和N2000同樣有效，具有廣泛的通用性(圖1c—f)。

圖1. 共軛聚合物分子鏈取向排列動(dòng)力學(xué)仿真

　　研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)合成高密度十八烷基三氯硅烷(OTS)單分子自組裝層修飾基底，利用OTS與共軛聚合物烷基側(cè)鏈的相互作用，實(shí)現(xiàn)基底誘導(dǎo)的共軛聚合物分子鏈空間垂直取向排列，進(jìn)而結(jié)合電場(chǎng)極化誘導(dǎo)取向，制備一系列不同結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量共軛聚合物單晶薄膜(圖2)，并深入解析其生長(zhǎng)機(jī)制，實(shí)驗(yàn)證明了nano-CMDO方法具有優(yōu)異的普適性和魯棒性。

圖2. nano-CMDO制備多種典型共軛聚合物單晶薄膜

　　在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)研究了nano-CMDO制備的共軛聚合物單晶薄膜的電學(xué)特性(圖3)。光熱偏轉(zhuǎn)光譜結(jié)果表明，所有共軛聚合物單晶薄膜的Urbach能量均為當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道的最低值，其中N2200單晶薄膜的Urbach能量低至25meV；此外，共軛聚合物單晶薄膜SCLC器件表現(xiàn)出接近理想狀態(tài)的電荷輸運(yùn)行為；通過(guò)優(yōu)化有機(jī)半導(dǎo)體薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管制備工藝，DPPT-TT單晶薄膜的晶體管遷移率達(dá)到15.5cm2V-1s-1，為其在高性能有機(jī)電子器件方面的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖3. 共軛聚合物單晶薄膜的電學(xué)特性

　　相關(guān)研究成果以“Molecular-Dipole Oriented Universal Growth of Conjugated Polymers into Semiconducting Single-Crystal Thin Films”為題，發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications, 2025, 16, 1509)。北京大學(xué)集成電路學(xué)院2020級(jí)博士生趙春燕、賴錫林以及中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所2022級(jí)博士生劉大尉為共同第一作者，賀明和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所江浪研究員為共同通訊作者。研究工作得到了國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金后摩爾重大研究計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，并得到了微納電子器件與集成技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、集成電路高精尖創(chuàng)新中心、國(guó)家集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)等基地平臺(tái)支持。

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