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Angew. Chem. :双吖丙啶交联剂:同步实现电化学晶体管的精准图案化与性能调控2024-06-07
随着生物传感器、神经形态学器件和可植入式电子设备研究领域的蓬勃发展,有机电化学晶体管(OECT)由于其高跨导,低驱动电压和良好的生物相容性等优势开始受到广泛关注。目前半导体微电子行业的发展不仅要求性能的提升,还需其制程的缩小和芯片单位面积中晶体管数量的增加。光刻技术是半导体行业中非常有前景的加工方法之一,但是传统硅基半导体行业中的光交联剂通常无法很好的适用于有机聚合物材料的微纳加工。因此探索适合OECT等有机半导体器件的光刻方法和光交联剂具有重要意义。

近日,四川大学化学学院冯良文课题组与电子科技大学黄伟自动化工程学院课题组合作,以双吖丙啶为光反应基团,通过简短高效的反应路线合成一系列新的光交联剂,在制得高精准度图案化OECT器件的同时研究了光交联剂的不同链长对器件性能的影响。

双吖丙啶基团在鲍哲南课题组的先前报道中(Science. 2021, 373, 88-94)已经被证明是一类不需要光引发剂、光交联活性高、只交联聚合物半导体侧链,“电子清洁”的光反应基团。作者在此基础上,通过引入双吖丙啶类交联剂,可以在p(g2T-T)或Homo-gDPP等半导体聚合物中实现最小线宽/间隙为2 μm的高分辨率图案(图1)。

 

 

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图1 (a) p(g2T-T)和(b)Homo-gDPP的光学显微镜图像. (c) p(g2T-T)和(d)Homo-gDPP的原子力显微镜图像。

在研究过程中作者发现,伴随着交联剂链长的规律性增减会对有机薄膜材料的堆积产生规律性的影响(图2)。特别是对于Homo-gDPP,链长的改变不仅能在不同程度上削弱半导体材料的堆积,还能有规律的改变晶格间距。

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图2. 具有不同链长的交联剂与聚合物半导体的共混膜的二维GIXRD图(a, b)和线切面图(c, d)。

他们以2023年Antonio Facchetti与Tobin J. Marks课题组报道的垂直型OECTs(vOECTs)结构为研究载体(Nature 2023, 613, 496-502),利用有机半导体薄膜中分子堆积强弱和晶格间距的会直接影响材料的电子迁移率和离子渗透性能这一点,作者通过这一策略可以进一步调节垂直电化学晶体管的性能(图3)。结合纤维素肉桂酸脂对电极进行封装能减少寄生电容并提升器件稳定性,最终仅在±0.1 V的栅电压下实现了p型和n型vOECTs大于60 mS的最大跨导, 大于 106的开关比和10万次 (2000 s) 以上的良好稳定性。

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图3. 电化学晶体管沟道中不同链长的交联剂对器件性能产生的影响。

在该工作中,作者设计合成了一系列原料商业可得,合成路线简短,可高效大量制取的双吖丙啶类交联剂。将聚合物半导体“一步直接光学光刻”的方法用于制备高性能电化学晶体管,无需添加光引发剂和多次的刻蚀剥离步骤,简化了以往电化学晶体管的图案化操作。通过调整交联剂的链长来调控聚合物分子堆积进而调控晶体管性能的这一策略,增强有机电化学晶体管适应各种不同应用场景需求的能力。

文信息

Precisely Patterned Channels in a Vertical Organic Electrochemical Transistor with a Diazirine Photo-Crosslinker

Yueping Lai, Jingliang Cheng, Miao Xie, Prof. Jianhua Chen, Guichuan Zhu, Prof. Wei Huang, Prof. Liang-Wen Feng

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202401773

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