獲獎(jiǎng)項(xiàng)目簡介
2021年CAIA獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)：功能分子器件原位顯微分析測試與應(yīng)用
完成單位：中國科學(xué)院化學(xué)研究所、天津大學(xué)理學(xué)院
完成人：江浪、胡文平、劉潔、劉云圻
成果簡介：
精確表征分子組裝微觀結(jié)構(gòu)，測試分析有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸物理化學(xué)過程是有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。申請(qǐng)人針對(duì)上述技術(shù)難題，搭建了綜合測試分析平臺(tái)，包括聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與性能測試、器件原位微區(qū)光譜分析等。圍繞分子材料創(chuàng)制、性能測試與機(jī)制分析、功能器件應(yīng)用三個(gè)關(guān)鍵核心內(nèi)容，揭示了微觀尺度上的分子材料結(jié)構(gòu)信息，推進(jìn)了微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)系的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了高性能有機(jī)光電功能器件的制備，并取得如下成果：1）發(fā)展了單分子層分子晶體半導(dǎo)體新材料及其微觀結(jié)構(gòu)表征方法，為有機(jī)光電器件研究提供了新的平臺(tái)；2）通過搭建原位微區(qū)光譜系統(tǒng)揭示了有機(jī)半導(dǎo)體器件物理及界面缺陷化學(xué)新現(xiàn)象，闡明了缺陷和界面工程對(duì)光電性能的影響規(guī)律。
創(chuàng)新點(diǎn)及科學(xué)價(jià)值：
高場效應(yīng)遷移率有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件是有機(jī)電子學(xué)中重要前沿研究方向之一，目前正處于有機(jī)場效應(yīng)晶體管器件（OFETs）陣列性能波動(dòng)性與穩(wěn)定性等因素阻礙集成互聯(lián)應(yīng)用的瓶頸期。如何精確表征分子組裝微觀結(jié)構(gòu)，測試分析有機(jī)半導(dǎo)體電荷傳輸物理化學(xué)過程是有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。
（1）發(fā)展了單分子層分子晶體半導(dǎo)體新材料及其微觀結(jié)構(gòu)表征方法。
有機(jī)單晶具有分子排列高度有序、缺陷少的特點(diǎn)，是構(gòu)筑光電器件的理想材料。當(dāng)有機(jī)單晶的厚度低至單分子層時(shí)，即單分子層分子晶體（MMC），其OFET器件避免了體電阻的存在，并暴露出導(dǎo)電溝道傳輸層，有利于直接表征電荷傳輸物理過程。MMC的成功制備為表征有機(jī)半導(dǎo)體材料本征性能、揭示材料結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系、探索載流子傳輸模式和大規(guī)模集成應(yīng)用提供了獨(dú)特的視角。由于MMC超薄的特征，加大了其結(jié)構(gòu)表征難度，迫切需要發(fā)展MMC半導(dǎo)體新材料及其微觀結(jié)構(gòu)表征方法。通過溶液和界面控制組裝方法，發(fā)展了多種空間限域生長MMC的新方法，通過該測試分析平臺(tái)系統(tǒng)研究了半導(dǎo)體微觀結(jié)構(gòu)，原位光譜和光電性能，建立了材料結(jié)構(gòu)與性能之間的聯(lián)系，并實(shí)現(xiàn)了高性能有機(jī)光電功能器件的制備。
（2）通過搭建原位微區(qū)光譜系統(tǒng)揭示了有機(jī)半導(dǎo)體器件物理及界面缺陷化學(xué)新現(xiàn)象。
晶體管半導(dǎo)體/界面缺陷是器件穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素。在過去的研究中，主要重視OFETs的存放穩(wěn)定性及循環(huán)測試穩(wěn)定性，而器件光穩(wěn)定性一直是有機(jī)半導(dǎo)體材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn)但依然面臨挑戰(zhàn)。通過原位器件顯微測試手段，包括吸收及熒光光譜、時(shí)間分辨熒光發(fā)射譜和卡爾文探針顯微鏡等，揭示了OFETs器件中體缺陷和界面缺陷是導(dǎo)致其光不穩(wěn)定性的根源。另外，鈣鈦礦型FETs的性能主要受到器件不穩(wěn)定性的影響，而其晶體管器件不穩(wěn)定性的來源還不清楚。通過研究基于甲基銨溴化鉛的鈣鈦礦單晶FETs，發(fā)現(xiàn)在正電極與半導(dǎo)體界面上因離子遷移發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成了有缺陷混合層的新現(xiàn)象，揭示了該器件不穩(wěn)定是由于界面處電化學(xué)反應(yīng)引起的。這項(xiàng)工作解決了實(shí)現(xiàn)高性能溶液處理鈣鈦礦晶體管的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益：
該項(xiàng)目發(fā)展的原位器件微區(qū)光譜分析測試系統(tǒng)，有望催生高性能和新功能有機(jī)光電功能材料與器件，加深對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體器件中電子傳輸特性的認(rèn)知，為重大創(chuàng)新甚至原始創(chuàng)新奠定技術(shù)基礎(chǔ)。截止2021年7月，項(xiàng)目第一完成人江浪個(gè)人論文總引用超過7000次，其中2016年搭建該測試系統(tǒng)以來發(fā)表論文67篇包括通訊作者文章24篇。
應(yīng)用前景：
該項(xiàng)目搭建的綜合測試系統(tǒng)已經(jīng)和所內(nèi)外團(tuán)隊(duì)，如化學(xué)所張德清研究員，宋延林研究員、北京大學(xué)占肖衛(wèi)教授、中國科學(xué)院大學(xué)黃輝教授、華中科技大學(xué)翟天佑教授、南京工業(yè)大學(xué)王建浦教授等團(tuán)隊(duì)開展了廣泛的合作，取得了系列重要成果。
