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天津大學(xué)李立強(qiáng)-陳小松團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater.》：零溫度系數(shù)點(diǎn)現(xiàn)象用于實(shí)現(xiàn)溫度不敏感的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管
2024-04-08  來(lái)源：高分子科技

  有機(jī)半導(dǎo)體材料因其本征柔性、低成本和可大面積加工等優(yōu)勢(shì)，在柔性顯示、電子皮膚、智慧醫(yī)療及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，有機(jī)半導(dǎo)體由于其具有溫度依賴性的電荷傳輸機(jī)制以及易受溫度影響的形貌演變現(xiàn)象，表現(xiàn)為本征溫度敏感。以有機(jī)半導(dǎo)體作為導(dǎo)電溝道的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其電學(xué)特性及穩(wěn)定性也極易受到溫度效應(yīng)的影響。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度不敏感的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)有機(jī)電子設(shè)備在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要。針對(duì)溫度影響有機(jī)半導(dǎo)體形貌演變的問(wèn)題，天津大學(xué)李立強(qiáng)-陳小松團(tuán)隊(duì)前期開(kāi)發(fā)的應(yīng)變工程策略可有效解決（Nat. Commun., 2022, 13,1480; Adv. Mater. 2023, 2306975）。而針對(duì)有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出的溫度依賴的電荷傳輸模式，目前仍沒(méi)有有效的解決辦法。實(shí)現(xiàn)溫度不敏感的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管仍是巨大挑戰(zhàn)。


  針對(duì)上述應(yīng)用需求和科學(xué)挑戰(zhàn)，天津大學(xué)李立強(qiáng)-陳小松團(tuán)隊(duì)通過(guò)借鑒無(wú)機(jī)晶體管利用零溫度系數(shù)點(diǎn)行為實(shí)現(xiàn)溫度抗擾性的解決辦法，實(shí)現(xiàn)了溫度不敏感的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。無(wú)機(jī)晶體管的零溫度系數(shù)點(diǎn)行為被廣泛應(yīng)用于模擬電路設(shè)計(jì)和集成應(yīng)用中，保證電子設(shè)備在變溫環(huán)境下的正常運(yùn)行。零溫度系數(shù)點(diǎn)存在于表現(xiàn)為能帶傳輸模式的器件中，通過(guò)載流子遷移率及閾值電壓的相互補(bǔ)償，在固定柵極電壓及源漏電壓下可輸出不受溫度干擾的電流。然而，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管通常表現(xiàn)為熱激活的跳躍傳輸模式，其隨溫度增加的載流子遷移率無(wú)法與閾值電壓相互補(bǔ)償，很難表現(xiàn)出零溫度系數(shù)點(diǎn)現(xiàn)象。
該工作通過(guò)在有機(jī)半導(dǎo)體層中摻入微量納米顆粒，在不影響器件性能的前提下通過(guò)改變費(fèi)米能級(jí)隨溫度的變化趨勢(shì)有效調(diào)控閾值電壓隨溫度的變化情況，使閾值電壓與遷移率可以相互補(bǔ)償，從而在有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)點(diǎn)行為。當(dāng)器件工作于零溫度系數(shù)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)溫度不敏感的源漏電流，有效提高了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溫度穩(wěn)定性。 


圖1 添加微量納米顆粒前后的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件模型及相應(yīng)的電學(xué)性能


  為了探究摻雜納米顆粒的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管存在零溫度系數(shù)點(diǎn)行為的原因，作者通過(guò)缺陷態(tài)密度的計(jì)算以及變溫紫外光電子能譜等表征證明了納米顆？梢杂行ьA(yù)填充有機(jī)半導(dǎo)體的深缺陷能級(jí)，進(jìn)而改變有機(jī)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)隨溫度的變化趨勢(shì)，從而產(chǎn)生了零溫度系數(shù)點(diǎn)現(xiàn)象。作者通過(guò)理論推導(dǎo)進(jìn)一步闡明了閾值電壓與遷移率的溫度系數(shù)相等是有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中零溫度系數(shù)點(diǎn)產(chǎn)生的必要條件。以上結(jié)論有助于零溫度系數(shù)點(diǎn)理論體系的完善及后續(xù)應(yīng)用的推廣。 


圖2 有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中零溫度系數(shù)點(diǎn)行為的機(jī)制分析


  最后，作者證明了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管零溫度系數(shù)點(diǎn)行為具有普適性，并在超過(guò)50000秒的變溫偏壓測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了不同溫區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的輸出電流。該工作為實(shí)現(xiàn)溫度不敏感有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供了一種有效的解決方案。 


圖3 零溫度系數(shù)點(diǎn)行為在實(shí)現(xiàn)溫度不敏感有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用


  以上工作相關(guān)論文近期發(fā)表于Advanced Materials期刊 (DOI: 10.1002/adma.202400089)。天津大學(xué)分子聚集態(tài)科學(xué)研究院李立強(qiáng)教授和陳小松副教授主持了該工作，為論文通訊作者，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所畢津順教授為共同通訊作者。天津大學(xué)分子聚集態(tài)科學(xué)研究院博士研究生戚建楠、碩士研究生鐵凱以及中國(guó)科學(xué)院微電子研究所博士研究生馬越為該論文的共同第一作者。天津大學(xué)有機(jī)集成電路教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津市分子光電科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡文平教授對(duì)本研究提供了支持和指導(dǎo)。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金，國(guó)家自然科學(xué)基金，天津市自然科學(xué)基金的資助，并獲得蘇州納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）的技術(shù)支持。


  論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202400089

  Jiannan Qi, Kai Tie, Yue Ma, Yinan Huang, Wenbing Gong, Shougang Sun, Zhongwu Wang, Zhiyun Li, Rong Huang, Jinshun Bi*, Liqiang Li*, Xiaosong Chen* and Wenping Hu, Achieving Zero-Temperature Coefficient Point Behavior by Defect Passivation for Temperature-Immune Organic Field-Effect Transistors. Adv. Mater. 2024, 2400089.

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