郭旭岗课题组在《先进材料》发表n-型有机薄膜晶体管最新研究成果

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       近日，南方科技大学材料科学与工程系副教授郭旭岗课题组在单极性n-型有机薄膜晶体管方向取得重要进展，该成果发表在材料领域顶级期刊《先进材料》(Advanced Materials, 影响因子：19.791)，论文题目为“Thiazole Imide-Based All-Acceptor Homopolymer: Achieving High-Performance Unipolar Electron Transport in Organic Thin-Film Transistors”。 郭旭岗课题组实验员史永强和研究助理教授郭晗为论文共同第一作者，本科生王雨伦（现为美国石溪大学博士生）负责完成理论计算，香港中文大学教授路新慧实验室对材料进行同步辐射表征。
       高性能n-型有机半导体材料对于有机电子领域的发展不可或缺，其中n-型聚合物材料大多采用给体-受体（donor-acceptor）结构。基于给体-受体聚合物的有机薄膜晶体管电子迁移率较高，但普遍表现出双极性特征并带来器件关电流偏大（>10−8 A）和电流开关比偏低（<105）的问题。其根本原因在于给体-受体材料中富电子给体单元的存在使得聚合物前沿轨道能级较浅并且带隙偏窄，电子和空穴都较容易注入因而器件不能正常关闭。为了有效抑制空穴注入，全受体（all-acceptor）结构是较为理想的解决方案，其在实现单极性n-型有机薄膜晶体管方面有显著优势。由于大体积缺电子受体单元带来的空间位阻问题和合成上的挑战，全受体聚合物的发展相对滞后并且晶体管电子迁移率较低，一般在0.1 cm2 V-1s-1以下。研发具有更优结构的新颖缺电子受体单元对于n-型全受体聚合物的性能提升至关重要。

图1. （a）全受体类型均聚物PDTzTI的化学结构，以及单体的单晶结构（b）有机薄膜晶体管器件结构和性能曲线

       郭旭岗课题组设计并成功合成了两种新型噻唑酰亚胺缺电子受体单元,并在其基础上得到全受体类型均聚物PDTzTI（图1a）。单晶XRD分析表明，DTzTI单体中存在S…N非共价键相互作用因而平面性较好，单体间的π堆积也非常紧密，非常适合构建全受体聚合物。噻唑酰亚胺的强拉电子能力也使得聚合物的前沿轨道能级较低，有利于晶体管中电子注入并提升器件稳定性，同时抑制空穴注入和降低器件关电流。基于PDTzTI的有机薄膜晶体管器件表现出优异的单极性n-型输运性能（图1b）。晶体管电子迁移率达到1.6 cm2 V-1 s-1，关电流仅为10−10-10−11A，因而电流开关比高达107-108。该迁移率是全受体均聚物材料中的最高纪录，同时在晶体管关电流和开关比性能上显著优于常见给体-受体共聚物材料，表明全受体结构是实现单极性n-型聚合物材料的有效途径,为新型受体单元和单极性n-型材料的设计提供重要参考依据。
       该项研究得到了国家自然科学基金、深圳市孔雀团队、深圳市重点实验室等项目支持。