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中科院化學(xué)所在分子材料和器件研究方面取得系列進展

最近更新時間:2013-8-7

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詳細介紹:

 中科院化學(xué)所在分子材料和器件研究方面取得系列進展

在科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的支持下,化學(xué)研究所有機固體院重點實驗室的相關(guān)研究人員致力于分子材料和器件的研究,取得了一些新進展,引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注,并分別在Chem. Rev. 和Chem. Soc. Rev.上發(fā)表了綜述。

  在有機場效應(yīng)晶體管(OFET)中,介電層/半導(dǎo)體層界面狀態(tài)對器件性能有重要影響。在目前OFET的界面研究中,諸多界面參數(shù)的計算和測量都是基于統(tǒng)計平均的方法。表面能作為一個重要的介電層/半導(dǎo)體界面影響因素,其均勻程度對器件性能的影響在此前的界面研究中長期被忽視,而對表面能非均性這一關(guān)鍵因素考量的缺失,也正是界面研究中眾多爭議產(chǎn)生的主要根源之一。

  該課題組在對介電層表面能非均勻性引起的一系列實驗現(xiàn)象進行充分研究的基礎(chǔ)上,通過實驗證明了表面能非均勻性對有機場效應(yīng)晶體管性能影響的廣泛性,并且發(fā)現(xiàn)了表面能非均勻程度和有機場效應(yīng)晶體管遷移率之間存在一種線性反比關(guān)系。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進材料》(Adv. Mater. 2011, 23, 1009-1014)上,并被選為插頁(圖1)。

  隨后,該課題組的研究人員又在上述工作基礎(chǔ)上,通過利用介電層表面能非均勻性對有機半導(dǎo)體層生長形貌進行控制和優(yōu)化,制備出空穴遷移率高達3.6cm2/Vs的并五苯場效應(yīng)晶體管,這是上已報道的并五苯柔性薄膜器件的*結(jié)果之一。同時,研究人員又在這一高性能晶體管基礎(chǔ)上,制備了高性能柔性環(huán)形振蕩器,振蕩頻率超過1 kHz(圖2)。相關(guān)研究成果在《先進材料》(Adv. Mater. 2011, 23, 3128-3133)上發(fā)表。

  石墨烯是由碳原子六角結(jié)構(gòu)緊密排列的二維單層石墨層,是構(gòu)成其它維度碳材料如富勒烯、碳納米管和金剛石的基本單元。如何制備高質(zhì)量,大面積,形貌可控的石墨烯是石墨烯領(lǐng)域的核心問題,也成為上石墨烯研究的競爭點所在?;瘜W(xué)氣相沉積法(CVD)由于具有成本低廉,可大規(guī)模制備等優(yōu)點,近幾年發(fā)展迅速,已經(jīng)成為制備石墨烯的主要手段。該課題組采用CVD方法,選取金屬銅作為催化劑,控制生長條件,成功地制備出形貌規(guī)則的六角石墨烯,并對其電學(xué)性質(zhì)進行了深入研究(圖3)。六角形貌石墨烯的發(fā)現(xiàn)極大地擴展了石墨烯領(lǐng)域的研究內(nèi)容。相關(guān)研究內(nèi)容發(fā)表在《先進材料》(Adv. Mater. 2011, 23, 3522-3525)上。

  基于石墨烯的新結(jié)構(gòu)的探索是石墨烯研究領(lǐng)域的一個重要研究內(nèi)容。課題組在液氮的條件下通過微波火花法剝離天然石墨,獲得了高質(zhì)量、高純度的碳納米卷(圖4)。這種石納米卷是由少數(shù)層或單層石墨烯卷曲而成,并有緊密的結(jié)構(gòu)。該碳納米卷的場效應(yīng)器件在空氣和氮氣中都具有穩(wěn)定的雙極性行為,在氮氣中zui高的空穴遷移率可以達到3117 cm2/Vs,電子遷移率可以達到4595 cm2/Vs。碳納米卷的還具有著穩(wěn)定的線性電流/電壓曲線,zui高電流密度可達7 × 107 A/cm2(Adv. Mater. 2011, 23, 2460-2463)。

  zui近,課題組和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究人員合作利用電化學(xué)方法,在柔性襯底上,將滴在兩電極間的氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯通過一步法實現(xiàn)了還原和排布(圖5左),并成功將其應(yīng)用于農(nóng)藥的傳感器中。該傳感器對常用農(nóng)藥—樂果的傳感靈敏度達到了7.6 ppb(圖5右),并進一步分析得到該農(nóng)藥分子的活性來自于:氮、硫和磷原子的共同作用結(jié)果。相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv. Mater. (2011, 23, 4626–4630)上。

  多年來,相關(guān)研究人員開展了碳納米管及其特性的研究,在碳納米管可控制備、生長機理和電性能方面取得了系列成果,并得到學(xué)術(shù)界同行的認可,英國*化學(xué)會發(fā)表了Tutorial Review (Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 1324-1336),系統(tǒng)地介紹了近幾年來在碳納米管分離和富集的成果。

  作為潛在的大面積,低成本,柔性的電子器件,有機場效應(yīng)晶體管的研究在過去十年取得了重要的發(fā)展,正在走向應(yīng)用。有機場效應(yīng)晶體管主要為薄膜型器件,因此薄膜的制備技術(shù)、表征技術(shù)對薄膜的質(zhì)量和器件性能具有重要的影響。該課題組不但重視分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系,還在薄膜的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系的研究方面取得一些成果。應(yīng)Chem. Rev.雜志的邀請,就“應(yīng)用于場效應(yīng)晶體管的有機薄膜的制備與表征的實驗技術(shù)”撰寫了綜述(Chem. Rev. 2011, 111, 3358-3406)。

 中科院化學(xué)所在分子材料和器件研究方面取得系列進展

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