黄佳:本征离子导电纤维素纳米纸作为固体电介质用于低压有机晶体管

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开发操作电压低，可生物降解和具有柔性等特性的器件是未来有机电子学发展的重要趋势。科学技术的快速发展导致消费电子产品的预期寿命显着降低，加速了不可再生资源的消耗以及产生了大量的电子垃圾。电子垃圾会导致不良的人体健康影响和产生严重的环境污染。因此，开发“绿色”电子设备具有重要意义，因为“绿色电子”不仅仅是一个新的科学术语，也是一个新的领域，旨在研究具有环境安全（可生物降解）和/或生物相容的天然化合物在电子器件领域中的应用。此外，降低电子元件的操作电压对于获得高能效电子元件来说非常重要。有机场效应晶体管（OFET）作为未来柔性，可穿戴和便携式电子设备中的重要组件，在传感器，射频识别标签和柔性显示器等领域具有广泛的应用前景。然而，现有的可用于制备OFETs的介电层材料往往难以同时兼具柔性、低压和生物可降解等优异特性。 因此，开发兼具绿色、环保和柔性的介电层材料用于制造低压OFETs具有重要的意义。

近日，来自同济大学的黄佳教授在Nature Communications上发表文章，题为：Intrinsically ionic conductive cellulose nanopapers applied as all solid dielectrics for low voltage organic transistors。该团队报道了环保纤维素纳米纸作为具有固有离子导电性的高电容介电层材料的应用。与以往报道的液体/电解质门控介电层不同，具有环保特性的纤维素纳米纸可以用于制备全固态柔性低压电子器件。基于纤维素纳米纸的OFETs在低于2 V的操作电压下表现出良好的器件性能。不仅如此，在弯曲半径小于1 mm的条件下，器件的源漏电流及载流子迁移率并未出现明显变化。纤维素纳米纸的有趣特性，如离子传导性、超光滑表面(~ 0.59 nm)、高透明度 (＞80 %)和柔性，使它们成为柔性、透明和低压电子器件的高电容介电层材料的优秀候选。

作者展示了一类环境友好的全固态离子导电纤维素纳米纸( ICCN )电介质。观察到该电介质材料具有高透明度、低表面粗糙度、良好的热耐久性和优异的机械性能。ICCNs适用于包括p型小分子C8 - BTBT、n型小分子NTCDI - F15和聚合物半导体PQT - 12在内的不同类型的OSCs柔性OFETs的制备。并且，ICCNs可同时用作介电层和衬底层。所有这些器件都显示出良好的OFETs性能，并且可以在低于2 V的栅极-源极电压下工作。这可以归因于ICCN的离子传导特性，该特性可以感应出EDL，因此在栅极电压仅为几伏的情况下，ICCN / OSC界面处会产生高的局部电场。在不同的弯曲半径下测量了基于40 μm-厚ICCN的C8 - BTBT OFETs的高柔性，并且与平坦状态相比没有观察到显著的漏极电流变化，即使弯曲半径小到1 mm。通过制造柔性有机互补反相器进一步展示了ICCN电介质在互补电路中的应用前景。由于ICCN具有低表面粗糙度、高透明度、耐温性、柔性和固态离子导电性的综合优势，因此在未来可生物降解、柔性、透明和全固态低压绿色电子产品中具有广泛的应用。

文献链接：Intrinsically ionic conductive cellulose nanopapers applied as all solid dielectrics for low voltage organic transistors, (Nature Communication, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-05155-y)