论文标题：Implication of Surface Passivation on the In-Plane Charge Transport in the Oriented Thin Films of P3HT

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-3978/6/2/6

期刊名：Electronic Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/electronicmat

研究背景

有机场效应晶体管因其低成本、机械柔性与可溶液加工性等独特优势，在柔性显示、可穿戴设备等前沿领域展现出巨大的应用潜力。其中，聚（3-己基噻吩）作为一种典型的p型有机半导体，因其结构简单、易于自组装而备受研究界关注。然而，OFETs的性能表现严重受限于半导体-电介质界面的质量，界面处存在的电荷陷阱、缺陷态以及无序的分子排列，会显著降低电荷载流子迁移率，进而影响器件的稳定性与工作寿命。因此，通过对电介质表面进行修饰以构建理想的半导体-电介质界面，已成为提升OFETs性能的核心环节。自组装单分子层技术，特别是采用十八烷基三氯硅烷进行表面钝化，已被证明是一种可有效减少界面陷阱、调控半导体分子取向并改善薄膜形貌的可靠策略。本研究旨在系统探究不同OTS钝化条件对SiO?衬底表面性质的影响，并评估其对采用浮动薄膜转移法制备的取向性RR-P3HT薄膜的分子排列、光学特性及最终器件电学性能的调控规律，为实现高性能OFETs的制备提供明确的优化方案。

研究内容

研究团队首先对SiO₂/Si衬底进行了系统的OTS表面钝化处理，通过调控溶剂类型（甲苯或十八烯）、OTS浓度（5 mM或10 mM）、处理温度（室温或100°C）及时间（3-48小时），制备了六种不同条件的钝化表面，分别标记为OTS-A至OTS-F。水接触角测量结果表明，所有OTS处理均显著提升了衬底的疏水性，接触角从未处理的约63°增至106°以上，证实了疏水性自组装单分子层的成功形成。其中，采用十八烯作为溶剂并在100°C下处理48小时的OTS-F条件，获得了最低的有效表面能（7.1 mN/m），表明其形成了最为致密、有序的SAM。

为评估不同钝化表面对半导体薄膜的影响，研究团队采用浮动薄膜转移法在所有处理过的衬底上制备了取向性的RR-P3HT薄膜。偏振吸收光谱分析显示，所有薄膜均表现出明显的光学各向异性，表明FTM法成功实现了分子链的宏观取向。值得注意的是，OTS-F条件下的薄膜展现出最高的二向色性比，约为1.8，同时其A_0-0/A_0-1吸收峰比值也达到0.80，表明其分子间有序度和链内共轭长度达到最优。X射线衍射分析进一步印证了这一点，结果显示在OTS-F衬底上的薄膜具有最强的（100）晶面衍射峰和最窄的半峰宽，通过谢乐公式计算出的晶粒尺寸最大，约为22.93纳米，证明其结晶质量和分子堆积的有序性最佳。

基于上述优化的薄膜，研究团队制备了底栅顶接触结构的OFETs，并系统测试了其电学性能。转移特性曲线结果显示，器件性能与OTS处理条件密切相关。在以甲苯为溶剂的室温处理条件（OTS-A, B, C）下，器件的饱和迁移率（μ_sat）维持在10^-2 cm²V^-1s^-1量级，变化不显著，但随着处理时间延长，开关比和阈值电压有所改善，这归因于界面陷阱态的减少。相比之下，在以十八烯为溶剂的高温处理条件（OTS-D, E, F）下，器件性能则发生了显著变化。特别是OTS-F条件下制备的器件，其饱和迁移率实现了从OTS-D条件下的10^-3 cm²V^-1s^-1到0.18 cm²V^-1s^-1的跨越式提升，增幅高达两个数量级，同时阈值电压也降至4V。这一卓越性能直接归因于OTS-F衬底诱导形成的、具有高度分子有序和结晶质量的RR-P3HT薄膜，该薄膜为高效的平面内电荷传输提供了理想通道。

图1. P3HT与OFET的分子结构与示意图

研究总结

本研究系统地探究了OTS表面钝化条件对SiO₂衬底表面性质及RR-P3HT基OFETs性能的深刻影响。研究明确指出，钝化条件的选择对界面质量、半导体分子取向乃至最终器件性能起着决定性作用。研究发现，使用十八烯作为溶剂并在高温下长时间处理的OTS-F条件，能够形成最致密、有序的SAM，从而最大限度地降低表面能、减少界面陷阱。这种优化的界面环境，结合浮动薄膜转移法，成功诱导RR-P3HT形成了具有最高光学各向异性和结晶质量的取向性薄膜，其晶粒尺寸最大、分子堆积最有序。这种优异的材料形态直接转化为器件层面卓越的电学性能，使OFETs的饱和迁移率达到了0.18 cm²V^-1s^-1的先进水平。该工作不仅深刻阐释了表面钝化工程在调控有机半导体薄膜微结构与器件性能中的核心作用，也为通过精细优化界面来制备高性能、低工作电压的有机电子器件提供了一条清晰、可重复且高效的技术路径，对推动柔性电子技术的实际应用具有重要的科学价值与指导意义。

Electronic Materials期刊介绍

主编：Prof. Dr. Wojciech Pisula

1. Max Planck Institute for Polymer Research, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Germany

2. Department of Molecular Physics, Faculty of Chemistry, Lodz University of Technology, Zeromskiego 116, 90-924 Lodz, Poland

Electronic Materials（ISSN 2673-3978）是一个开放获取期刊，发表与电子材料相关的科学研究和技术发展。本刊为电子材料基础科学、工程和实际应用方面的综述、文章和简讯提供发表平台。目前已被Scopus, Ei Compendex等数据库收录。