化學(xué)所在分子材料和器件研究方面取得系列進(jìn)展

　　在科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的支持下，化學(xué)研究所有機固體院重點(diǎn)實(shí)驗室的相關(guān)研究人員致力于分子材料和器件的研究，取得了一些新進(jìn)展，引起了國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注，并分別在Chem.Rev.和Chem.Soc.Rev.上發(fā)表了綜述。

　　在有機場(chǎng)效應晶體管(OFET)中，介電層/半導體層界面狀態(tài)對器件性能有重要影響。在目前OFET的界面研究中，諸多界面參數的計算和測量都是基于統計平均的方法。表面能作為一個(gè)重要的介電層/半導體界面影響因素，其均勻程度對器件性能的影響在此前的界面研究中長(cháng)期被忽視，而對表面能非均性這一關(guān)鍵因素考量的缺失，也正是界面研究中眾多爭議產(chǎn)生的主要根源之一。

　　該課題組在對介電層表面能非均勻性引起的一系列實(shí)驗現象進(jìn)行充分研究的基礎上，通過(guò)實(shí)驗證明了表面能非均勻性對有機場(chǎng)效應晶體管性能影響的廣泛性，并且發(fā)現了表面能非均勻程度和有機場(chǎng)效應晶體管遷移率之間存在一種線(xiàn)性反比關(guān)系。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Adv.Mater.2011,23,1009-1014)上，并被選為插頁(yè)(圖1)。

　　隨后，該課題組的研究人員又在上述工作基礎上，通過(guò)利用介電層表面能非均勻性對有機半導體層生長(cháng)形貌進(jìn)行控制和優(yōu)化，制備出空穴遷移率高達3.6cm2/Vs的并五苯場(chǎng)效應晶體管，這是國際上已報道的并五苯柔性薄膜器件的最優(yōu)結果之一。同時(shí)，研究人員又在這一高性能晶體管基礎上，制備了高性能柔性環(huán)形振蕩器，振蕩頻率超過(guò)1kHz(圖2)。相關(guān)研究成果在《先進(jìn)材料》(Adv.Mater.2011,23,3128-3133)上發(fā)表。

　　石墨烯是由碳原子六角結構緊密排列的二維單層石墨層，是構成其它維度碳材料如富勒烯、碳納米管和金剛石的基本單元。如何制備高質(zhì)量，大面積，形貌可控的石墨烯是石墨烯領(lǐng)域的核心問(wèn)題，也成為國際上石墨烯研究的競爭點(diǎn)所在�；瘜W(xué)氣相沉積法(CVD)由于具有成本低廉，可大規模制備等優(yōu)點(diǎn)，近幾年發(fā)展迅速，已經(jīng)成為制備石墨烯的主要手段。該課題組采用CVD方法，選取金屬銅作為催化劑，精確控制生長(cháng)條件，成功地制備出形貌規則的六角石墨烯，并對其電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究(圖3)。六角形貌石墨烯的發(fā)現極大地擴展了石墨烯領(lǐng)域的研究?jì)热�。相關(guān)研究?jì)热莅l(fā)表在《先進(jìn)材料》(Adv.Mater.2011,23,3522-3525)上。

　　基于石墨烯的新結構的探索是石墨烯研究領(lǐng)域的一個(gè)重要研究?jì)热�。課題組在液氮的條件下通過(guò)微波火花法剝離天然石墨，獲得了高質(zhì)量、高純度的碳納米卷(圖4)。這種石納米卷是由少數層或單層石墨烯卷曲而成，并有緊密的結構。該碳納米卷的場(chǎng)效應器件在空氣和氮氣中都具有穩定的雙極性行為，在氮氣中最高的空穴遷移率可以達到3117cm2/Vs，電子遷移率可以達到4595cm2/Vs。碳納米卷的還具有著(zhù)穩定的線(xiàn)性電流/電壓曲線(xiàn)，最高電流密度可達7×107A/cm2(Adv.Mater.2011,23,2460-2463)。

　　最近，課題組和中國農業(yè)大學(xué)研究人員合作利用電化學(xué)方法，在柔性襯底上，將滴在兩電極間的氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯通過(guò)一步法實(shí)現了還原和排布(圖5左)，并成功將其應用于農藥的傳感器中。該傳感器對常用農藥—樂(lè )果的傳感靈敏度達到了7.6ppb(圖5右)，并進(jìn)一步分析得到該農藥分子的活性來(lái)自于：氮、硫和磷原子的共同作用結果。相關(guān)研究成果發(fā)表在A(yíng)dv.Mater.(2011,23,4626–4630)上。

　　多年來(lái)，相關(guān)研究人員開(kāi)展了碳納米管及其特性的研究，在碳納米管可控制備、生長(cháng)機理和電性能方面取得了系列成果，并得到學(xué)術(shù)界同行的認可，英國皇家化學(xué)會(huì )發(fā)表了TutorialReview(Chem.Soc.Rev.,2011,40,1324-1336)，系統地介紹了近幾年來(lái)在碳納米管分離和富集的成果。

　　作為潛在的大面積，低成本，柔性的電子器件，有機場(chǎng)效應晶體管的研究在過(guò)去十年取得了重要的發(fā)展，正在走向應用。有機場(chǎng)效應晶體管主要為薄膜型器件，因此薄膜的制備技術(shù)、表征技術(shù)對薄膜的質(zhì)量和器件性能具有重要的影響。該課題組不但重視分子材料的化學(xué)結構與器件性能之間的關(guān)系，還在薄膜的凝聚態(tài)結構與器件性能之間的關(guān)系的研究方面取得一些成果。應Chem.Rev.雜志的邀請，就“應用于場(chǎng)效應晶體管的有機薄膜的制備與表征的實(shí)驗技術(shù)”。