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聚焦有機半導體熱激活電荷輸運的調控,天津大學科研團隊取得新進展
2021-01-18 13:50
天津大學
作者:

  近期,天津大學分子聚集態科學研究院李立強教授課題組提出了一種通過晶界勢壘工程對有機半導體電荷輸運的温度依賴性進行有效調控的策略。這一成果近期發表在國際權威期刊《自然·通訊》(Nat. Commun.,2021,12, 21, DOI: 10.1038/s41467-020-20209-w)上,第一作者為天津大學分子聚集態科學研究院博士研究生黃憶男和中國科學技術大學碩士研究生龔雪。

  在現代電子工業中,材料電荷輸運的温度依賴性極大地影響甚至決定着它們的應用領域。如何根據應用需求有效地調控材料電荷輸運的温度依賴性是科學家們面臨的共同課題。李立強教授科研團隊研究過程中發現有機半導體中的晶界顯著影響着其電荷輸運過程。通過理論分析和實驗表徵,發現晶界處的有效勢壘高度可通過晶粒尺寸的變化實現有效的調控。當材料的晶粒尺寸接近德拜長度的兩倍時,有效勢壘高度可達到最大值,此時電荷輸運表現出強烈的温度依賴性,而更大或更小的晶粒尺寸都會降低有效勢壘高度,使材料表現出較高的熱穩定性。

圖:左:偏置電壓下有機半導體晶界處的能帶模型示意圖。右:電荷輸運的温度靈敏度與晶粒尺寸關係的條形圖。(靈敏度定義為從25℃到85℃的電流變化率)

圖:温度傳感器的示範性應用。a傳感器的温度分辨率達0.2°C。b温度傳感器的循環穩定性。c温度傳感器對手指觸摸的響應。d温度傳感器對紅外熱源的響應。e OFET温度傳感器陣列的照片。f傳感器陣列測得的温度分佈圖。

  研究者製備了具有不同晶粒尺寸的有機半導體薄膜器件,並基於這種極高靈敏度的有機半導體制備了性能優異的温度傳感器。這種温度傳感器的靈敏度高達155,遠超同類型器件的報道值。得益於超高的靈敏度,傳感器實現了對環境紅外熱輻射的檢測、對人體觸摸的識別和温度分佈探測。該成果有望為集成電路元器件和高性能傳感器的設計提供新思路

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