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化學所在分子材料和器件研究方面取得系列進展

[2011/10/29]

　　在科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的支持下，化學研究所有機固體院重點實驗室的相關(guān)研究人員致力于分子材料和器件的研究，取得了一些新進展，引起了國際學術(shù)界的關(guān)注，并分別在Chem.Rev.和Chem.Soc.Rev.上發(fā)表了綜述。

　　在有機場效應(yīng)晶體管(OFET)中，介電層/半導(dǎo)體層界面狀態(tài)對器件性能有重要影響。在目前OFET的界面研究中，諸多界面參數(shù)的計算和測量都是基于統(tǒng)計平均的方法。表面能作為一個重要的介電層/半導(dǎo)體界面影響因素，其均勻程度對器件性能的影響在此前的界面研究中長期被忽視，而對表面能非均性這一關(guān)鍵因素考量的缺失，也正是界面研究中眾多爭議產(chǎn)生的主要根源之一。

　　該課題組在對介電層表面能非均勻性引起的一系列實驗現(xiàn)象進行充分研究的基礎(chǔ)上，通過實驗證明了表面能非均勻性對有機場效應(yīng)晶體管性能影響的廣泛性，并且發(fā)現(xiàn)了表面能非均勻程度和有機場效應(yīng)晶體管遷移率之間存在一種線性反比關(guān)系。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進材料》(Adv.Mater.2011,23,1009-1014)上，并被選為插頁(圖1)。

　　隨后，該課題組的研究人員又在上述工作基礎(chǔ)上，通過利用介電層表面能非均勻性對有機半導(dǎo)體層生長形貌進行控制和優(yōu)化，制備出空穴遷移率高達3.6cm2/Vs的并五苯場效應(yīng)晶體管，這是國際上已報道的并五苯柔性薄膜器件的最優(yōu)結(jié)果之一。同時，研究人員又在這一高性能晶體管基礎(chǔ)上，制備了高性能柔性環(huán)形振蕩器，振蕩頻率超過1kHz(圖2)。相關(guān)研究成果在《先進材料》(Adv.Mater.2011,23,3128-3133)上發(fā)表。

　　石墨烯是由碳原子六角結(jié)構(gòu)緊密排列的二維單層石墨層，是構(gòu)成其它維度碳材料如富勒烯、碳納米管和金剛石的基本單元。如何制備高質(zhì)量，大面積，形貌可控的石墨烯是石墨烯領(lǐng)域的核心問題，也成為國際上石墨烯研究的競爭點所在；瘜W氣相沉積法(CVD)由于具有成本低廉，可大規(guī)模制備等優(yōu)點，近幾年發(fā)展迅速，已經(jīng)成為制備石墨烯的主要手段。該課題組采用CVD方法，選取金屬銅作為催化劑，精確控制生長條件，成功地制備出形貌規(guī)則的六角石墨烯，并對其電學性質(zhì)進行了深入研究(圖3)。六角形貌石墨烯的發(fā)現(xiàn)極大地擴展了石墨烯領(lǐng)域的研究內(nèi)容。相關(guān)研究內(nèi)容發(fā)表在《先進材料》(Adv.Mater.2011,23,3522-3525)上。

　　基于石墨烯的新結(jié)構(gòu)的探索是石墨烯研究領(lǐng)域的一個重要研究內(nèi)容。課題組在液氮的條件下通過微波火花法剝離天然石墨，獲得了高質(zhì)量、高純度的碳納米卷(圖4)。這種石納米卷是由少數(shù)層或單層石墨烯卷曲而成，并有緊密的結(jié)構(gòu)。該碳納米卷的場效應(yīng)器件在空氣和氮氣中都具有穩(wěn)定的雙極性行為，在氮氣中最高的空穴遷移率可以達到3117cm2/Vs，電子遷移率可以達到4595cm2/Vs。碳納米卷的還具有著穩(wěn)定的線性電流/電壓曲線，最高電流密度可達7×107A/cm2(Adv.Mater.2011,23,2460-2463)。

　　最近，課題組和中國農(nóng)業(yè)大學研究人員合作利用電化學方法，在柔性襯底上，將滴在兩電極間的氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯通過一步法實現(xiàn)了還原和排布(圖5左)，并成功將其應(yīng)用于農(nóng)藥的傳感器中。該傳感器對常用農(nóng)藥—樂果的傳感靈敏度達到了7.6ppb(圖5右)，并進一步分析得到該農(nóng)藥分子的活性來自于：氮、硫和磷原子的共同作用結(jié)果。相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv.Mater.(2011,23,4626–4630)上。

　　多年來，相關(guān)研究人員開展了碳納米管及其特性的研究，在碳納米管可控制備、生長機理和電性能方面取得了系列成果，并得到學術(shù)界同行的認可，英國皇家化學會發(fā)表了TutorialReview(Chem.Soc.Rev.,2011,40,1324-1336)，系統(tǒng)地介紹了近幾年來在碳納米管分離和富集的成果。

　　作為潛在的大面積，低成本，柔性的電子器件，有機場效應(yīng)晶體管的研究在過去十年取得了重要的發(fā)展，正在走向應(yīng)用。有機場效應(yīng)晶體管主要為薄膜型器件，因此薄膜的制備技術(shù)、表征技術(shù)對薄膜的質(zhì)量和器件性能具有重要的影響。該課題組不但重視分子材料的化學結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系，還在薄膜的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系的研究方面取得一些成果。應(yīng)Chem.Rev.雜志的邀請，就“應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管的有機薄膜的制備與表征的實驗技術(shù)”。