4月14日，天津大學分子聚集態科學研究院李立强教授團隊在國際權威期刊《Science Advances》線上發表研究成果，揭秘有機電晶體的失穩驅動力（Sci. Adv.2021，7，eabf8555；DOI: 10.1126/sciadv.abf8555）。
圖1《Science Advances》線上發表文章
有機場效應電晶體（OFET）作為最重要的有機電子元器件之一，在柔性顯示、電子皮膚、可穿戴設備、智慧醫療、射頻標籤、柔性存儲等領域具有廣闊的應用前景。經過三十多年的發展，有機場效應電晶體的電學效能（遷移率等參數）與相關加工工藝等方面已取得巨大進步，但該領域仍未實現實用化，穩定性是制約實用化的關鍵瓶頸（“硬骨頭”）問題，也是該領域被質疑是否有應用前景的關鍵問題。
傳統觀點認為化學結構衰變是半導體材料和器件老化的主要原因，因而人們開發了很多高化學穩定性的有機場效應半導體材料。但基於這些資料構築的電晶體器件仍然存在穩定性問題，人們逐漸發現電晶體材料物理聚集態結構失穩演變是有機電晶體器件老化的主要原因，但發生聚集態結構失穩演變的內在機制（內在驅動力）仍不清晰，進而難以開發出有效提升資料穩定性的方案，直接制約了有機場效應半導體材料與器件的實用化行程。
圖2有機場效應電晶體器件的電學效能、化學結構以及聚集態結構的演變
探索聚集態結構失穩演變的內在機制需要精准表徵資料內電荷輸運層及其鄰近資料的結構資訊，並將結構資訊與電輸運性質相關聯。在電晶體器件中，電荷輸運層位於電晶體層與介電層之間的介面，只有幾個納米厚，通常被包埋在電晶體層內。而常規的表徵手段主要得到資料體相的結構資訊，難以表徵被包埋在介面處的電荷輸運層與介電層表面的結構資訊，如果將體相的結構資訊與介面電荷輸運性質直接關聯起來，難以得到可信的材料與器件老化的微觀機制。
圖3和頻共振光譜科技表徵有機場效應電晶體介面分子構象的演變過程
針對上述科學與技術難題，天津大學李立强教授團隊採用和頻共振光譜（Sum Frequency Generation Spectrascopy，圖3左上）科技表徵了有機場效應電晶體中電晶體/介電層介面的分子構象演變過程，並探究了其對半導體材料聚集態結構穩定性的影響。通過跟踪和頻光譜內甲基（CH3）和亞甲基（CH2）的共振峰强度的變化發現：當有機場效應半導體材料分子沉積到介電層表面時，表面自組裝單分子層（octadecyltrichlorosilane，ODTS）中的烷基鏈會發生彎折，彎折的烷基鏈是一種受限態，會形成介面應力。該應力在保存過程中通過烷基鏈的再伸展逐漸釋放，釋放的應力能够產生足够的能量，進而誘導半導體材料發生無序化相變和形貌改變（圖3過程i-iii），最終導致資料的老化和器件效能的衰减（圖2d，f）。
本項工作採用和頻共振光譜科技揭示了在有機場效應半導體材料介面存在一種新型的分子構象誘導的介面應力，證明了該應力是資料老化（聚集態結構失穩演變）和器件效能衰减的主要內在原因，深化了對有機場效應半導體材料與器件穩定性的認知，為提升器件穩定性提供了理論支撐。
文章連結：https://advances.sciencemag.org/content/7/16/eabf8555
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