【Topical Review】湖南大学胡袁源、华中科大王帅&中科院化学所江浪课题组 | 有机场效应管中的非理想双斜率效应

TOPICAL REVIEW

Ming-Chao Xiao, Jie Liu, Yuan-Yuan Hu*, Shuai Wang*, and Lang Jiang*, Nonideal double-slope effect in organic field-effect transistors, Front. Phys. 16(1), 13305 (2021)
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Special Collection: Organic Semiconductors and OFETs (Eds. Hong Meng & Guangcun Shan) 

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随着器件工程和分子设计的发展，有机场效应晶体管(OFET)的迁移率有了显著提升（>10 cm²/Vs）。然而，在一些OFET中经常出现非理想的双斜率效应，即饱和区漏极电流的开方随栅极电压的变化曲线在低电压下呈现高斜率，而在高电压下呈现低斜率。双斜率效应给材料本征迁移率的表征带来了困难，从而阻碍了OFET的应用。近期湖南大学胡袁源教授、华中科技大学王帅教授和中国科学院化学研究所江浪研究员及其合作者发表综述文章（Front. Phys. 16 , 13305（2021）），从接触电阻、电荷俘获、无序效应和库仑相互作用等方面讨论了非理想双斜率效应的成因，并据此提出了几种实现理想OFET的策略，如掺杂、分子工程、电荷捕获减弱和接触工程等。有机半导体具有独特的性能，比如轻量化、柔性、可低成本大面积制备，并能针对特定光电功能需求来设计合成分子。基于有机半导体的有机电子学在有机光伏器件，有机发光二极管，OFET和有机存储器等领域具有广阔的应用前景，因而其研究备受关注。作为有机电子学的基本元件之一，OFET是开发高性能有机电路、传感器等应用的核心器件。迁移率是描述OFET电性能的一个关键参数。随着分子设计和器件工程的发展，大量高迁移率有机材料被报道。尽管OFET的迁移率很高，但很多器件表现出非理想双斜率效应行为（如图1所示），阻碍了OFET的迁移率的准确提取与评估。为了理解非理想双斜率效应，人们提出了几种可能的机制：如接触电阻的栅压依赖特性、半导体/介质界面的电荷捕获、半导体中的无序、载流子与注入电荷之间的库仑相互作用等。总的来说，到目前为止还没有就非理想双斜率效应背后的成因达成共识。图1（a）非理想和（b）理想OFET的传输特性。[引自：Nat. Commun. 7(1), 10908 (2016)]

作者认为电荷捕获效应很可能是导致非理想双斜率行为的重要原因，特别是对给体-受体（D-A）聚合物而言。在这些聚合物中，活性官能团、栅偏压、半导体中捕获的微量水和氧在电荷捕获过程中起着重要作用，在电荷输运通道中电子持续注入、积累。据此推理，理想的p型OFET可以通过抑制电子的注入和积累来实现。美国加州大学圣巴巴拉分校的Bazan教授团队发现在D-A聚合物半导体中掺杂PCBM可以抑制非理想双斜率行为。如图2（a）所示，经过100次偏置扫描操作后器件表现出明显的双斜率行为，在D-A聚合物中加入PCBM可观察到理想的传输特性（见图2（b））。随着PCBM的引入，电子在富勒烯处紧密结合，阻碍了电介质/半导体界面电荷的积累和捕获，从而形成理想的OFET。香港大学Chan教授课题组提出使用表面掺杂可以有效抑制非理想的双斜率行为，如图2(c)所示。掺杂的F₄-TCNQ可以扩散到接触区和沟道区，有利于载流子的注入和输运[见图2e]。从能带图上可以看出，F₄-TCNQ主要与能带隙中的陷阱填充过程有关，这是由F₄-TCNQ与半导体界面自发电荷输运触发的。图2 (a, b)基于DT-PDPP2T-TT薄膜和DT-PDPP2TTT: PCBM薄膜的OFET在100次扫描下的传输特性。(c)未修饰的和表面掺杂的OFET的传输特性；(d) F₄-TCNQ表面掺杂C₈-BTBT能级图；(e)表面掺杂前后陷阱态的演化过程。（a,b）引自：Adv. Funct. Mater. 26(25), 4472(2016);（c-e）引自：Phys. Chem. Chem. Phys. 22(13), 7100 (2020)。

由于接触电阻会诱发非理想的双斜率行为，因此减小接触电阻或实现欧姆接触是消除双斜率效应的有效方法。有几种策略可以提高载流子注入效率并降低接触电阻，如修饰电极、利用单层半导体、半导体的后退火处理或插入电荷注入层。美国卡内基梅隆大学Porter教授及其合作者报道了自组装单分子膜对P3HT基OFET电荷注入和输运的影响。结果表明通过处理不同的自组装单分子膜可以调节金属功函数，从而影响电荷注入，进而影响接触电阻和迁移率。接触电阻从未处理电极的0.61 MΩ下降到0.18 MΩ（见图3（a,b））。与此同时，迁移率也显著增加了。金属电极功函数的变化也影响接触电阻的栅压依赖关系，有利于器件获得理想的电特性。南京大学王欣然教授研究组及其合作者通过在C₈-BTBT和电极之间插入掺杂石墨烯，可以显著降低接触电阻（见图3c-e）。图 3 (a)电极上有自组装单分子膜的器件结构图；(b)迁移率和接触电阻对接触功函数的依赖关系。 (c)电极上有掺杂石墨烯的OFET结构图；(d)接触区透射电镜横断面图像；(e)器件的室温输运特性。（a,b）引自：ACS Appl. Mater. Interfaces 3(8),2973 (2011)；（c-e）引自：Sci. Adv. 3(9), e1701186 (2017)。
虽然关于非理想双斜率效应尚未找到一个统一的机制来解释，目前人们已经有一些策略来消除或减弱OFET的非理想行为。这些策略对正确分析OFET的性能和应用意义重大。最后，非理想的双斜率效应也可以应用于其它特殊器件：比如利用肖特基接触的大增益反相器和利用陷阱态的存储器。

(整理：蔻享译团队&FOP编辑)

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Qian Niu, Advances on topological materials, Front. Phys. 15(4), 43601 (2020)可复制此链接至浏览器查看：（https://journal.hep.com.cn/fop/EN/10.1007/s11467-020-0979-z）Special Collection: Recent Advances in Topological Materials (Eds. Yugui Yao, Xiangang Wan, Shengyuan A. Yang, Hua Chen).可复制此链接至浏览器查看：（https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=194）Special Collection: Inorganic Two-Dimensional Nanomaterials (Eds. Changzheng Wu & Xiaojun Wu).可复制此链接至浏览器查看：（https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=193）Special Collection: Graphene and other Two-Dimensional Materials (Eds. Kostya Novoselov, Daria Andreeva, Wencai Ren & Guangcun Shan).可复制此链接至浏览器查看：（https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=191）Special Collection: Heterojunction and Its Applications (Ed. Chenghua Sun).可复制此链接至浏览器查看：（https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=206）Special Collection: Solar Energy Storage and Applications (Eds. Min Liu and Haotian Wang).可复制此链接至浏览器查看：（https://journal.hep.com.cn/fop/EN/collection/showCollection.do?id=201）

Frontiers of Physics (FOP)期刊简介

Frontiers of Physics (FOP，IF 2.502)是由教育部发起、高教社出版、Springer海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一，旨在报道国际物理学领域的最新成果和研究进展，主要发表Topical Review、Review、Research Article、View & Perspective、Research Highlight，也委托专家组织特定前沿主题的专题。现任总主编：赵光达院士；执行主编：李定平教授；主编：龙桂鲁教授（量子计算与量子信息）、张卫平教授（AMO）、王楠林教授（凝聚态与材料物理）、李海波教授（核物理/粒子物理/天体物理与宇宙学）。期刊已被SCI, JCR, ADS, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSCI, CSCD等收录。2013-2018入选中国科技期刊提升计划资助项目，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划资助项目。扫码添加《物理学前沿》交流群（或下面右侧的编辑微信号），期刊不定期开展作者分享与学术报告会、微点论坛科普报告会、学术写作培训会等学术活动（点击下方链接到FOP期刊-蔻享直播平台）：

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