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来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2016-07-09 04:38 标签： tips pentacene
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美科学家解开有机半导体性能之谜
凤凰科技讯 北京时间1月20日消息，据科学日报报道，有机半导体因发光二极管(LED)、场效应晶体管(FETs)和光伏电池而获奖，由于它们可以通过溶液打印，它们提供了相对基于硅设备的高度可伸缩、成本效益较高的替代方案。然而，性能表现参差不齐有机半导体是一直存在的问题。科学家们知道性能问题源于有机半导体薄膜内部的界面，但却一直不清楚背后的原因，这一谜题直到近期才被解决。混杂的随机排列的纳米微晶，后者在溶液浇铸时会被动力学围困美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室的科学家、美国加州大学伯克利分校的娜奥美·金斯伯格(Naomi Ginsberg)带领了一支科研小组利用显微镜学的一种独特形式研究了名为TIPS-pentacene的特殊高性能有机半导体内部的界面。她和她的研究小组发现了混杂的随机排列的纳米微晶，后者在溶液浇铸时会被动力学围困。就像高速公路上的残骸一样，这些纳米微晶会阻碍电荷载流子的流动。“如果界面干净整齐，它们将不会对性能产生巨大的影响，但纳米微晶的存在减少了电荷载流子的移动性，” 金斯伯格说道。“我们对这个界面建立的纳米微晶模型——它与观测结果相一致——提供了至关重要的信息，它或可以被用于将处理溶剂的方法与最优的设备性能相联系。”劳伦斯伯克利国家实验室物理生物部门和材料科学部门、美国加州大学伯克利分校化学和物理学学院的金斯伯格是这篇发表在期刊《自然通信》上的文章的联系作者。文章的其它合作作者还包括王凯西(Cathy Wong)、本杰明·科茨(Benjamin Cotts)和吴昊( Hao Wu)。有机半导体是基于碳的能力形成更大分子，例如苯环和并五苯，它们具有介于绝缘体和金属之间的导电性。通过溶液处理，有机材料可以无需昂贵的高温热处理——这些是硅和其它非有机半导体所必须经过的过程——就被塑造成晶体薄膜。然而，即使众所周知半导体有机薄膜里的晶体界面对于设备的性能表现至关重要，在这项研究之前有关这些界面的形态学信息仍是未知数。“半导体薄膜界面比衍射极限还要小，表面探测技术，例如原子力显微镜都无法检测到它，此外利用X射线方法一般无法解决它的纳米异质性。” 金斯伯格解释道。“此外我们研究的晶体TIPS-pentacene几乎为0释放，这意味着利用光致发光显微镜学也无法研究它。”金斯伯格和她的研究小组通过借助瞬态吸收光谱(TA)显微镜学克服了这一难题，这一技术是指利用飞秒激光脉冲激活瞬态能量状态，使得探测器可以测量吸收光谱的改变。研究小组在他们自己搭建的光学显微镜上进行了瞬态吸收光谱显微镜学，这使得他们可以产生比传统TA显微镜学还要小一千倍的聚焦体积。他们还部署了不同的光偏振使得它们可以隔离临近区域无法观测到的界面信号。
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“仪器设备，包括非常好的探测器，结合孜孜不倦的数据收集保证了较好的信噪比，而我们改变实验和分析的方法对于获得的成功至关重要。” 金斯伯格解释道。“我们的空间分辨率和光偏振敏感性对于明确观测到界面信号也非常重要。” 金斯伯格和她的研究小组提出的揭开有机半导体薄膜隐藏界面里结构图案的方法将成为可伸缩、可负担的这些材料的新预测因素。这一预测能力将帮助减少不连续性和最大化电荷载流子移动性。目前研究人员采用的是反复试验法，通过对不同的溶液浇铸环境进行测试从而调查产生的设备的性能。
“我们的方法提供了设备最优化反馈回路里的重要媒介物，主要是通过定义进入设备的薄膜的微观细节，同时推断溶液浇铸将在界面处产生什么样的结构来实现。” 金斯伯格这样表示。“结果是我们知道如何改变溶液浇铸参数之间的微妙平衡从而产生更具功能性的薄膜。”(编译/严炎刘星)
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美借助瞬态吸收显微学揭开有机半导体性能之谜
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　　有机半导体由于其在发光二极管（LEDs）、场效应晶体管（FETs）以及光伏电池方面的应用而受到广泛关注。由于有机半导体可以通过溶液法制备，对于硅基器件是一种更具成本效益的升级替代品。然而，其性能的不均匀性是一个长期存在的问题。科学家们知道性能问题源于有机半导体薄膜内部的界面，但却不清楚其具体原因，现在这个迷题似乎被解决了。&　　美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校化学家娜奥美·金斯伯格（Naomi Ginsberg）领导的团队采用特殊显微镜研究了液相合成的名为TIPS-并五苯（TIPS-pentacene）的特殊高性能有机半导体内部的界面。该团队发现溶液浇铸过程中界面处形成许多随机排列的杂乱纳米晶;好比高速公路上的碎片，纳米晶阻碍了载流子的迁移。&　　Ginsberg表示：“如果界面整洁干净，可能不会对性能造成这么大的影响，但是纳米晶的存在降低了载流子的迁移率。界面的纳米晶模型可以为改进液相合成方法从而优化器件性能提供关键信息。” &　　该研究以“Exciton dynamics reveals aggregates with intermolecular order at hidden interfaces in solution-cast organic semiconducting films”为题于1月12日发表在《自然·通讯》（Nat. Commun., ）上。&图来源：能源部劳伦斯·伯克利国家实验室&　　有机半导体是基于碳而形成的更大分子，例如苯和并五苯，其导电性介于绝缘体和金属之间。与硅或其他无机半导体不同，通过液相合成的有机材料通常不需要高温退火。即使早已清楚有机半导体薄膜结晶畴晶界面是其器件性能的关键所在，但至今仍无法获知这些界面形态的具体信息。&　　“有机半导体薄膜因其界面畴比原子力显微镜这样的表面探针技术的衍射极限还要小而无法被观察，其纳米级异质性也使得其通常不能使用X-射线的方法解析。” Ginsberg 说，“而且，我们所研究的TIPS-并五苯几乎是零发光，意味着不能采用光致发光显微镜来研究。” &　　Ginsberg团队利用瞬态吸收（TA）显微镜克服了这一难题。TA是一种利用飞秒激光脉冲激活瞬态能量状态，使得探测器可以测量吸收光谱变化的技术。研究小组在他们自己搭建的光学显微镜上结合了瞬态吸收光谱显微镜学，使得其能够产生比传统TA显微镜小1000倍的聚焦体积。她们还部署了多种不同的光偏振，从而将相邻区域中无法观察到的独立界面信号分离开。&　　“包括非常好的探测器在内的仪器设备、为确保良好信噪比而进行的艰苦的数据收集、以及我们实验和分析的方法是我们成功的关键，” Ginsberg说道，“空间分辨率和光偏振敏感度也是能够清晰观察界面信号而不被体相所淹没所必不可少的，远比通过焦距的原始观察的贡献更大。” 　　目前，研究人员基本上采用的是试错法，在不同的溶液浇铸条件下进行测试从而了解最终器件的性能。Ginsberg及其团队发展的方法表明有机半导体薄膜中隐藏界面的结构图像可以为这些材料的可扩展、经济的液相合成增加一个预测因子。这种预测有助于减小不连续性和最大限度提高载流子迁移率。 &　　“我们的方法通过表征薄膜的微观细节，推测溶液浇铸中界面处结构如何创建，在器件优化反馈回路中扮演重要的媒介作用，”Ginsberg表示，“因此，我们可以建议如何改变溶液浇铸参数间的微妙平衡，获得功能性更强的薄膜。” &　　（摘编自 ）&　　相关阅读：&Tips-pentacene单晶C晶向的电流-电压特性表征:有序-局域化体系中的载流子输运机制研究--《第十七届全国晶体生长与材料学术会议摘要集》2015年
Tips-pentacene单晶C晶向的电流-电压特性表征:有序-局域化体系中的载流子输运机制研究
【摘要】：有机场效应晶体管中的电荷注入长期以来一直是限制器件性能的最主要因素之一。由于电子在有机小分子单晶c晶向的高度定域性,导致其迁移率比沿a-b晶向低若干个数量级,这同时也成为当前解析有机场效应晶体管本征输运性质的一个主要瓶颈~([1])。我们通过实验对Tips-pentacene单晶材料沿c晶向的载流子输运特性进行了详细研究。Tips-pentacene单晶通过改进的滴涂法制备而成,单晶宽度500μm,长度达毫米量级,在此种单晶上下表面可方便的制备二端金属电极,并通过选择适合的金属与有机单晶形成欧姆接触。通过I-V表征变温电学测量实验,我们发现了载流子由高温区域的热激活形式过渡到低温区域非温度依赖形式的输运特性。经过与不同温度区域内载流子输运理论对比和解析分析,我们可以很好地模拟解析两个温度区域的载流子输运机制,即高温区域电导由极化子连续跳跃传输所主导,而在低温区,输运形式转向量子隧穿。此工作可为理解高度有序-高度定域化体系的载流子输运提供一定参考,同时也为精确解析有机单晶晶体管整体输运过程提供借鉴。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：O621.1【正文快照】：
Tips-pentacene单晶C晶向的电流-电压特性表征:有序-局域化体系中的载流子输运机制研究@王嘉玮$国家纳米科学中心纳米标准研究室$中国科学院大学材料科学与光电技术学院
@江潮$国家纳米科学中心纳米标准研究室有机场效应晶体管中的电荷注入长期以来一直是限制器件性能的最主
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彭景翠;[J];高分子学报;1995年01期
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