國科大在有機半導體場效應晶體管性能研究方面取得系列進展
2021-02-09 11:42:04 中國科學院大學光作為清潔、易得的遠程調控手段，受到了研究者的青睞。光調控場效應晶體管是指使用光作為外場刺激手段，構建器件性能可調控的晶體管，通常通過引入光致變色分子的策略來實現，大多采用物理摻雜方法，存在著相分離、穩定性等問題。
在國家自然科學基金委和中國科學院的支持下，中國科學院大學博士生導師、化學所有機固體實驗室張德清課題組首次將偶氮苯基團引入有機高分子半導體的側鏈，發現可以通過紫外、可見光照可逆調控半導體薄膜的結晶性，進而可逆調控其半導體性能，并表現出光響應速度快和器件穩定性好的優點。
在此基礎上，他們進一步設計合成了側鏈含有吡唑偶氮苯單元(pAzo)的共軛給受體聚合物 PDPYA，協同使用納米粒子 NaYF4:Yb,Tm 的上轉換效應和共軛骨架的光熱效應，成功構建了近紅外光（980/808 nm）可逆調控的有機場效應晶體管，并表現出更優異的光穩定性，器件電流在經過100次循環光照后，無明顯衰減。
除此之外，由于順式構型的吡唑偶氮苯具有較高穩定性，該器件在 980 nm 光照射后，器件性能可以在暗處穩定保持長達120天。這些優點使得該體系在記憶器件等方面具有潛在的應用價值。 
他們進一步在有機高分子半導體側鏈中引入了兩種不同結構的偶氮苯基團，即吡唑偶氮苯（pAzo）和tetra-ortho-methoxy-substituted azobenzene (mAzo)，設計合成了有機高分子半導體POMPYA，成功實現了通過560 nm、365 nm、470 nm三種波長光照對基于POMPYA薄膜的場效應晶體管器件性能的可逆調控，并可依次達到三重穩定的電導態。
其原理如下：mAzo的可逆順反異構化可以通過560nm、365 nm、470 nm的光照進行；pAzo的反式到順式的轉化可以通過365 nm光照進行，而560 nm光照不能驅動順反異構化反應。因此，兩種偶氮苯基團（mAzo和pAzo）的反式到順式異構化可以通過560 nm和365 nm的光照依次引發。GIWAXS數據分析表明mAzo及pAzo的順反異構可以調節POMPYA薄膜的結晶性。
最終，基于POMPYA薄膜的場效應器件的性能可通過560 nm、365 nm和470 nm光照下的mAzo及pAzo依次順反異構化來進行可逆調控，從而依次達到三重穩定的導電狀態，而且三種狀態間可以通過特定波長的光照進行可逆轉換。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，為構建光調控的多重穩態有機場效應晶體管提供了新的思路 。
