國科大在有機(jī)半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管性能研究方面取得系列進(jìn)展
2021-02-09 11:42:04 中國科學(xué)院大學(xué)光作為清潔、易得的遠(yuǎn)程調(diào)控手段，受到了研究者的青睞。光調(diào)控場效應(yīng)晶體管是指使用光作為外場刺激手段，構(gòu)建器件性能可調(diào)控的晶體管，通常通過引入光致變色分子的策略來實(shí)現(xiàn)，大多采用物理摻雜方法，存在著相分離、穩(wěn)定性等問題。
在國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的支持下，中國科學(xué)院大學(xué)博士生導(dǎo)師、化學(xué)所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室張德清課題組首次將偶氮苯基團(tuán)引入有機(jī)高分子半導(dǎo)體的側(cè)鏈，發(fā)現(xiàn)可以通過紫外、可見光照可逆調(diào)控半導(dǎo)體薄膜的結(jié)晶性，進(jìn)而可逆調(diào)控其半導(dǎo)體性能，并表現(xiàn)出光響應(yīng)速度快和器件穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。
在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步設(shè)計合成了側(cè)鏈含有吡唑偶氮苯單元(pAzo)的共軛給受體聚合物 PDPYA，協(xié)同使用納米粒子 NaYF4:Yb,Tm 的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)和共軛骨架的光熱效應(yīng)，成功構(gòu)建了近紅外光（980/808 nm）可逆調(diào)控的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，并表現(xiàn)出更優(yōu)異的光穩(wěn)定性，器件電流在經(jīng)過100次循環(huán)光照后，無明顯衰減。
除此之外，由于順式構(gòu)型的吡唑偶氮苯具有較高穩(wěn)定性，該器件在 980 nm 光照射后，器件性能可以在暗處穩(wěn)定保持長達(dá)120天。這些優(yōu)點(diǎn)使得該體系在記憶器件等方面具有潛在的應(yīng)用價值。 
他們進(jìn)一步在有機(jī)高分子半導(dǎo)體側(cè)鏈中引入了兩種不同結(jié)構(gòu)的偶氮苯基團(tuán)，即吡唑偶氮苯（pAzo）和tetra-ortho-methoxy-substituted azobenzene (mAzo)，設(shè)計合成了有機(jī)高分子半導(dǎo)體POMPYA，成功實(shí)現(xiàn)了通過560 nm、365 nm、470 nm三種波長光照對基于POMPYA薄膜的場效應(yīng)晶體管器件性能的可逆調(diào)控，并可依次達(dá)到三重穩(wěn)定的電導(dǎo)態(tài)。
其原理如下：mAzo的可逆順反異構(gòu)化可以通過560nm、365 nm、470 nm的光照進(jìn)行；pAzo的反式到順式的轉(zhuǎn)化可以通過365 nm光照進(jìn)行，而560 nm光照不能驅(qū)動順反異構(gòu)化反應(yīng)。因此，兩種偶氮苯基團(tuán)（mAzo和pAzo）的反式到順式異構(gòu)化可以通過560 nm和365 nm的光照依次引發(fā)。GIWAXS數(shù)據(jù)分析表明mAzo及pAzo的順反異構(gòu)可以調(diào)節(jié)POMPYA薄膜的結(jié)晶性。
最終，基于POMPYA薄膜的場效應(yīng)器件的性能可通過560 nm、365 nm和470 nm光照下的mAzo及pAzo依次順反異構(gòu)化來進(jìn)行可逆調(diào)控，從而依次達(dá)到三重穩(wěn)定的導(dǎo)電狀態(tài)，而且三種狀態(tài)間可以通過特定波長的光照進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)換。通過使用560 nm、365 nm 和470 nm光照作為輸入信號，器件電流IDS作為輸出信號，器件電流IDS隨光照的變化可以模擬三值邏輯門的功能，為構(gòu)建光調(diào)控的多重穩(wěn)態(tài)有機(jī)場效應(yīng)晶體管提供了新的思路 。
關(guān)鍵詞： 有機(jī)高分子半導(dǎo)體 場效應(yīng)晶體管
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