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纪德洋:从理论到实践 有机电子驱动创新

来源:《中国高新科技》期刊社    时间:2021-01-22    

  随着信息时代的到来,光电子器件的应用领域越发广泛。从信号的产生、信息的传输到信息的显示,无一能离开光电子器件。伴随着科学家们对有机半导体材料的构效关系理解的逐渐深入,各种性能的有机半导体材料先后被合成出来,从选材和性能上,补充了无机半导体的不足。因对有机半导体和光电子器件的好奇,天津大学分子聚集态科学研究院教授纪德洋自在中国科学院化学研究所读研究生时,就选择了这个领域,从此开启了制备高性能有机场效应晶体管和电路及应用探索的科研之旅。

 

  理论、实践创新的高效电荷传输

  纪德洋一直是科技的“弄潮儿”。他一直不停地追赶科技浪潮。不断创新是纪德洋多年来坚守的科研信念,纪德洋硕博和博士后阶段一直从事制备高性能有机场效应晶体管和电路及应用研究。如何获得高效的电荷传输是有机场效应晶体管在电路以及其他应用的基础,也是热点科学问题。纪德洋分别从有机场效应晶体管中最基本的组成原件绝缘层、电极和半导体层出发,在高效电荷传输的器件制备方面做了比较系统的工作。纪德洋介绍道:“聚合物介电材料是有机场效应晶体管的核心组成部分之一,在制备高性能器件中起到了非常关键的作用。与常规的无机介电材料相比,聚合物介电材料具有更好的机械柔韧性、溶液加工性、性能(物理和化学)可调控性以及与各种基底(柔性和硬性)良好的兼容性。”纪德洋发展了一种非常廉价的绝缘层材料:聚酰胺酸(PAA)。纪德洋介绍说:“PAA表面极性基团可以通过相互作用自组装形成有序的纳米沟槽结构,它与并五苯分子之间的相互作用力非常强,能够诱导并五苯分子以最有序、结晶性最好、正交相生长,器件的性能高达30.6cm2V-1s-1,能够与其有机单晶器件性能相媲美。”这种PAA聚合物介电层材料还有很好的普适性,而且基于其制备的晶体管可以有效地驱动有机发光二极管阵列工作,进一步说明PAA材料在光电领域具有潜在的应用价值。

  纪德洋还提出了一种制备纳米结构电极的方法。纪德洋指出:“底栅电极底接触源漏电极是制备集成电路采用的电极结构。然而这种电极的不足之处在于接触电阻大,影响半导体的生长,从而影响器件性能。”纪德洋利用纳米球光刻技术首次将纳米级别的多孔金电极引入到晶体管结构中作为源漏电极,孔的大小可以很好地控制在300~500nm。这种纳米孔电极的引入极大地降低了半导体与电极的接触电阻,从而实现高迁移率器件的构筑,为进一步集成电路的制备奠定了基础。

  有机光晶体管的性能一直滞后于无机、量子点和有机-无机杂化体系的器件,一个主要的原因就是有机光响应半导体材料的迁移率低,从而限制了载流子的传输和收集效率。纪德洋从分子结构的角度出发,利用强荧光的2,6-二苯并蒽(DPA)分子,通过界面单分子层修饰的优化,制备出的薄膜器件很好地平衡了迁移率和光电性能。此薄膜器件阵列展现出了很低的暗电流(皮安级别)。更令人兴奋的是,其薄膜器件展现出类带状传输性能(band-liketransport),意味着DPA分子生长的非常有序,这也是第一次在小分子薄膜器件中观察到这种现象。光晶体管阵列最后所呈现出来的性能也达到了有机光晶体管中最优值以及现阶段所有类型光晶体管的最优值之一。

  在纪德洋的科研之路上,通过对话科学领域的未解问题,发现自己存在的问题,并进行调整,最后从理论回归实践,再由实践实现理论突破的飞跃。

构筑柔性有机电子神奇美好的未来

  纪德洋说,有机电子研究不仅仅是他的专业,更是他的爱好。纪德洋将有机电子学表述为一门“艺术”,他非常享受通过研究不断创造新东西的过程。

  柔性有机电子学是一门新兴的前沿交叉学科,旨在突破现有的硅基半导体在微电子领域的发展瓶颈,发展高性能低功耗的有机场效应晶体管,实现分子级别的新一代逻辑电路,以及实现柔性的可穿戴的可拉伸的微型电子设备。目前,虽然有机电子学领域取得了重大进步,但以上研究方向仍然落后于国际先进水平。纪德洋加入天津大学后积极开展柔性逻辑电路以及可穿戴可拉伸电子器件的制备。

  纪德洋指出:“实现有机场效应晶体管有效的电荷传输只是构筑高性能逻辑电路的基础,成功制备出有机逻辑电路才是我们最终的目的。”纪德洋希望能够利用自己在微电子加工方面和器件制备前期的科研经验,致力于高集成度高性能有机电路的研究。另外,低功耗的器件也是器件发展的一种趋势,这在很大程度上依赖于绝缘层材料的选择,而纪德洋在聚合物绝缘层方面有丰富的经验。在获得低功耗的器件的同时,纪德洋还希望跟其他的光电器件相结合进行研究,比如光伏器件或者锂电池,希望可以做出“自给自足”的低功耗高集成度高性能有机电子器件。

  纪德洋加入天津大学以后,以培养和调动学生科研的创造性和主动性为首要目标,鼓励学生积极参与国际交流,发表科研论文,在接受良好的科研训练的同时拥有对国际前沿的良好视野。与此同时,和其他老师以及国内有机电子学领域的专家进行广泛的合作,进行高水平的研究,获得具有国际影响力的科研成果。纪德洋说:“未来值得我们更进一步去挖掘,为产品创新带来更多的可能性,最终实现应用以及商业化。”

  在新的起点上,纪德洋正以坚定不移的科研信念、继往开来的创新勇气、披荆斩棘的奋进锐气、博采众长的开放胸怀,在新的科研航程中彰显中国青年科研学者的新境界、新伟力。

  撰稿: 萧 斌

  本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第19期

  (转载请注明来源)

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