作者:甘晓 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/2/28 13:55:08
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胡文平研究员:为未来“明星材料”奠定科学基础

 

有机电视、电子纸、有机照明、有机太阳能电池……对普通人而言,“有机电子学”的概念可能是陌生的,但其应用已经走进了人们的视野。据国际知名有机电子咨询机构IDTechEx计算,有机电子器件在未来的20年里,有可能占据3000亿美元的市场份额,成为一个庞大的商业领域。

在有机电子学中,有机场效应晶体管是最基本的元器件之一,也是有机电路的基础和核心。对于化学家而言,如何从结构和性能的关系出发,设计、合成综合性能优异的有机场效应材料等科学问题,已经成为他们工作的重心。

多年来,中国科学院化学研究所科研人员围绕有机场效应晶体管基本的物理化学问题开展了多项卓有成效的工作,为这一未来“明星材料”的发展奠定了科学基础。今年,这些工作荣获了2016年度国家自然科学奖二等奖。

发展有机场效应材料

因为被认为不具有导电性质,有机材料一直被广泛用作绝缘材料。直到二十世纪七十年代以来,美国科学家艾伦·黑格(Alan J.Heeger)等人发现,对聚乙炔分子进行掺杂能将其变成良好的导体,掀起了有机功能材料的革命。

有机场效应晶体管便是有机功能材料的应用之一。和其他场效应晶体管一样,有机场效应晶体管的原理也是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流,不同之处则在于,其利用有机半导体材料充当运载电荷的“载流子”传输层。提高迁移率是研究这一领域科学家共同追求的目标。

1996年以来,中科院化学所胡文平开始从事有机场效应晶体管的研究。“我们从结构和能量出发设计分子。”胡文平告诉《中国科学报》记者。原理上,分子密堆有利于电荷快速传输,获得高迁移率,但分子间斥力会让分子密堆变得困难。

项目组通过系列研究,发现“分子二维平面砖状堆积”能有效突破这一矛盾。例如,胡文平和同事们发现,α相酞菁氧钛(TiOPc)分子具有金字塔形的特异结构,能够形成良好的“二维平面砖状堆积”,迁移率高达10 cm2V-1s-1。这在当时是迁移率最高、性能最好的场效应材料。

开拓有机微纳晶电子学

在科学家们看来,有机晶体承担着正确评价半导体材料、揭示材料本征性能的使命。然而,有机晶体因生长困难难以制备器件,所以,对有机半导体的构效关系研究是有机电子学面临的长期挑战。而有机微纳晶生长快速,能有效克服有机晶体生长的挑战、实现对材料的高效表征。

“将有机晶体与微纳器件有机地结合起来,能够建立和发展新的学科方向。”胡文平指出。多年来,他带领项目组开展了有机微纳晶的多项相关研究。项目组从分子结构、分子间作用力出发,通过界面能、晶面能等生长参数的调控,发明了“物理气相外延”等方法生长规整的有机微纳晶、完善了生长理论。

同时,研究人员通过“微纳线模板法”,制备了场效应晶体管,实现了利用有机微纳晶高效揭示材料本征性能、构筑高性能器件的目标。英国皇家学会院士、剑桥大学卡文迪许实验室教授亨宁·西林豪斯(Henning Sirringhaus),美国工程院院士、斯坦福大学教授鲍哲楠,马普高分子所原所长克劳斯·慕乐(Klaus Muellen)等业内专家高度评价了这项工作,指出“这是第一个基于有机微纳晶的场效应晶体管,是迁移率最高、性能最好的单根线晶体管,是未来光电子集成的关键元件,也是后硅基计算机时代的希望”。

培养优秀人才队伍

对胡文平而言,探索之路没有就此停止。截至2012年12月,全球有57种迁移率超过或接近无定型硅的有机半导体材料,胡文平及其合作者报道的就有15种。

不过,在胡文平看来,长期开展有机场效应晶体管研究的收获并不仅是获得学术成果。“我们在研究中,培养了大量优秀的人才。”他指出。例如,项目组有学生先后多次获得“中科院院长特别奖”,也有博士生在学位论文方面荣获“中国科学院优秀博士学位论文”、“北京市优秀博士学位论文”和“全国优秀博士学位论文”。

目前,胡文平的研究团队中已经有15人成为教授。“他们都是我国有机电子学研究的骨干和中流砥柱。”胡文平表示。

 
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