[科普中国]-有机晶体管

目前有机薄膜晶体管(OTFT)的综合性能已经达到商用非晶硅水平，其鲜明的低生产成本和高功能优点已显示出巨大的市场潜力和产业化价值。有机薄膜晶体管将很快成为新一代平板显示的核心技术。有机薄膜晶体管(OTFT，organic thin film transistor)的基本结构和功能与传统的薄膜晶体管(TFT)基本相同，不同的是它采用了有机半导体作为工作物质。与现有的非晶硅或多晶硅TFT相比，OTFT具有以下特点：加工温度低，一般在180℃以下，不仅能耗显著降低，而且适用于柔性基板；工艺过程大大简化，成本大幅度降低，气相沉积和印刷打印两种方法都适合大面积加工；材料来源广泛，发展潜力大，同时环境友好。这些特点符合社会发展和技术进步的趋势，因此，它的出现和进展在国际上引起广泛关注，很多大公司和研发机构竞相投入研发，特别是欧洲已形成研发联盟，OTFT的性能(载流子迁移率)以平均每两年提高十倍的速度在发展，目前综合性能已经达到了目前商业上广泛使用的非晶硅TFT水平(0.7平方厘米每伏秒)。可以说，有机薄膜晶体管将成为新一代平板显示的核心技术。

简介近年来，对有机薄膜晶体管(OTFT)器件的研究和应用取得了长足的进展，作为下一代新的显示技术备受人们的关注。与无机薄膜晶体管相比，OTFT具有更多的优点：首先现在有更多更新的制作有机薄膜的技术，如分子自组装技术、真空蒸镀、喷墨打印等：其次在制作有机薄膜的过程中，对气体的条件和纯度的要求比较低，从而简化了制作工艺，降低了生产成本。同时，使用有机材料不但可以制作尺寸更小的器件，而且还可以通过适当地修饰有机分子结构来改善OTFT器件的性能。除此之外，OTFT器件还具有很好的柔韧性，携带起来更加方便。有研究表明，对“全有机“晶体管(全部用有机材料制成的晶体管)进行适度地扭曲或弯曲，并不会明显地改变器件的电学特性，这种优良的特性进一步拓宽了OTFT的使用范围。

结构OTFT器件的结构一般由栅极、绝缘层、有机有源层、源/漏电极构成，一般可以分为两类，即顶部电极结构和底部电极结构。顶部电极结构是将源/漏电极完全沉积在有机有源层上面，常见的顶部电极式的结构如图1所示。底部电极结构是将源/漏电极完全沉积在有机有源层下面，常见的底部电极结构如图2所示。一般来说，用同种材料构成的顶部电极结构式OTFT器件的性能比底部电极结构式OTFT器件的性能优越，因为项部电极结构OTFT器件的欧姆接触电阻小，场效应迁移率高，在一般的OTFT器件中都采用项部电极结构。但是相对于顶部电极结构OTFT器件，底部电极结构OTFT优点是更容易制造出高分辨率的显示器件，在高分辨率OTFT显示器件中多采用底部接触式的结构。

栅极绝缘层一般分为无机绝缘层和有机绝缘层。常用的无机绝缘层有：SiO：、SiNX等。常用的有机绝缘层有：并五苯(Pentacene)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚酰亚胺(P1)、丙烯(AcwI)等。在柔性塑料基板上制作OTFT，一般选择有机栅极绝缘层，因为有机材料的性能与塑料基板及其TFT层之间的热膨胀系数能更好得匹配。在OTFT器件中，PVP是最常用的有机栅极绝缘层材料，还有其它的一些有机绝缘层材料，其性能如表1所示。在有机有源层中，最常用的有机材料是并五苯，它是到目前为止发现的性能最好的有机有源层材料。随着实验研究的不断进展，以Pen—tacene薄膜为材料制备OTFT器件的性能可以和非晶硅器件相媲美，甚至某些性能超越非晶硅。并五苯是5个苯环并列形成的稠环化合物，一般可以通过气相沉积法制作，而其它的一些有机材料，如聚3一己基噻吩、聚芴基聚合物、 聚噻吩可以通过溶液工艺制作1。

相关新闻对有害化学物质的检测在环境保护、食品安全、医疗卫生、工业生产以及国防军事等方面都至关重要，而对光、温度与压力的灵敏感知在人工智能、人机界面、智能机器人、人工电子皮肤、可穿戴设备等前沿科研领域也极其重要。基于场效应晶体管的传感器兼具传感与信号放大的功能，具有简单便携、高灵敏和高选择性等优势，并且部分有机半导体材料具有可以生物兼容和降解的潜力，因而有机晶体管传感器在上述科研与应用领域大有用武之地。

同济大学材料科学与工程学院黄佳教授在国家“青年千人计划”、上海市科委基础处重点研发课题和国家自然科学基金等项目的资助下，在有机晶体管传感器以及绿色、生物安全柔性电子器件方面取得了一系列的重要进展。部分研究成果发表于《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)《先进材料》(Advanced Materials)《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)《ACS纳米》(ACS nano)以及《先进科学》(Advance Science)等高水平的国际著名期刊。

课题组助理教授吴小晗博士近年来在国家自然科学基金项目以及上海市科委人才项目“扬帆计划”的资助下，发表SCI论文10余篇，部分成果以第一/共同通讯作者发表于《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)（2篇）《先进科学》(Advance Science)（2篇）以及《材料化学杂志A》(Journal of Materials Chemistry A)等高水平期刊。

在有机晶体管化学传感器的研究发展过程中，对气体和液体的传感探测先后被实现，但是对固体粉末样品的快速直接检测一直未能实现。而对固体粉末中的有害化学物质的检测，例如对奶粉中的三聚氰胺的快速直接检测，具有较大的科学意义和应用价值。黄佳课题组设计制备了新型的基于肩并肩有机二极管结构的传感器，实现了对微量固体化学物质在粉末样品的灵敏检测，可以在接触样品后有效检测到固体粉末中含有的远低于我国食品安全标准的极低浓度的三聚氰胺。研究成果最近发表于化学领域国际顶级期刊《美国化学会志》

课题组还设计制备了微纳孔有机场效应晶体管气体传感器，利用气体分子与场效应晶体管导电沟道快速相互作用的机理，显著提高了传感器的灵敏度。对氨气的响应灵敏度超过340% /ppm，能对浓度低于亿分之一的氨气表现出明显响应，其检测极限是论文发表时同类器件的最高记录，成果发表于材料领域著名期刊《先进功能材料》[Advanced Functional Materials. (2017)27, 1700018. 影响因子12.1]。此外该课题组还与环境学院李卓老师合作，实现了对饮用水中极低浓度的消毒副产物的有效监测，研究成果最近发表于《材料化学杂志A》[Journal of Materials Chemistry A. (2017) 5, 4842. 影响因子8.9]。

在光敏传感器的研究领域，黄佳课题组利用无机钙钛矿量子点与有机半导体复合材料的性能互补优势，成功制备了有机光敏晶体管，能同时展现超过10000A/W的光响应、大于1014Jone的光感极限、和优异的稳定性，实现了以往的研究中很难获得的多参数协同高性能，研究成果刚被材料领域顶级期刊《先进材料》[Advanced Materials.(2017) Accepted, DOI: 10.1002/adma.201704062. 影响因子19.8]接收2。

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王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所