作者:郭雪峰等 来源:《先进材料》 发布时间:2010-9-10 13:57:27
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有机场效应晶体管研究获新进展

图1 基于碳纳米管点电极的柱状纳米晶体管结构示意图

 

 
图2 基于石墨烯电极的单分子膜场效应晶体管结构示意图
 
北京大学化学与分子工程学院郭雪峰研究小组近期在微小化有机场效应晶体管研究方面取得系列进展(Adv. Mater. 2010, 22, 20-32)。器件微小化有利于实现无缺陷、高性能器件的制备,并最终得到单分子或原子器件,这就需要发展新的材料和方法来构建器件。碳纳米管和石墨烯由于其独特的低维结构和优异的光电性能,以及其与有机分子材料相似的化学组成和分子结构,可以作为较好的电极材料构建微小化的分子电子器件。
 
利用精细的电子束刻蚀和精确的氧化切割技术,可以在单壁碳纳米管上准确地切开一个纳米级间隙,得到碳纳米管分子点电极,从而构建功能单分子器件(Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1731;Chem. Asian J. 2010, 5, 1040)。在前期工作的基础上,他们与哥伦比亚大学Colin Nuckolls教授保持合作,选择液晶HBC分子,构建了单根纳米柱有机晶体管器件,实现了纳米尺度光响应性质(图1)(Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 691-696)。通过用HSQ树脂保护电极或加入微小液滴(直径约为10μm)的方法确保器件电荷传输是通过碳纳米管和分子的异质结,排除了金属电极的影响。由于分子材料具有液晶性质,经过退火处理,器件场效应晶体管性质得到显著提高。另外,这种以碳纳米管作为点电极的柱状晶体管表现出了良好的光电响应,在超高灵敏的传感器件和太阳能电池方面有很好的应用前景。
 
利用相同的电子束刻蚀和氧化切割的技术,可以将石墨烯切为二维电极来制备纳米尺度的有机场效应晶体管。在纳米化学研究中心,他们与刘忠范教授合作,首先证明(Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2743-2748),石墨烯电极可以与有机分子发生强相互作用,形成良好的接触界面,从而减小接触肖特基势垒,得到了性能优越的有机薄膜场效应晶体管器件。为进一步提高器件的综合性能,需要统筹考虑器件结构,接触界面,以及有机材料的组装等多个问题。最近,他们与纳米化学中心刘忠范教授和化学所朱道本先生合作,通过引入LB成膜技术,将自上而下的器件加工手段和自下而上的化学组装方法巧妙结合,构建了铜酞菁LB单分子膜的有机场效应晶体管(Angew. Chem. Int. Ed. 2010, anie.201001683, online)。该类器件产率高,性能好(有较高的迁移率和开关比),同时表现出超灵敏的光电响应。这是单分子膜晶体管器件光电转换的首次报道。该组合方法为环境传感和光检测器等器件研究以及发展纳米尺度分子电子器件提供了新的思路。(来源:北京大学)
 
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