GIXRD表征有机晶体管材料

自从第一个有机场效应晶体管被发现以来，有机电子学作为传统硅电子学的替代品，有了长足的发展。而从成本方面考虑，可大面积制备的各种印刷技术的应用是有机电子学的发展方向，这就要求有机半导体材料可溶液法加工。相对于高性能的溶液法加工p型有机半导体材料，n型有机半导体发展相对缓慢。发展高性能的可溶液法加工的n型有机半导体材料，是大面积、低成本的互补型有机电路制备的迫切需要。中科院化学研究所有机固体院重点实验室和中科院上海有机化学研究所材料化学实验室报道了一种可溶液法加工的、具有良好空气稳定性和热稳定性的高性能n型有机半导体材料NDI2OD-DTYM2，空气中迁移率能达到1.2 cm²V⁻¹s⁻¹。（图1）

在空气中退火至180°C，半导体层的形貌有明显变化，有明显的大片晶体结构出现。随着退火温度升高，迁移率升高，到180°C时达到最高值。这与半导体形貌是一致的，在180°C时，半导体排列最紧密最整齐，载流子迁移率最高。退火温度大于180°C时，可能会对半导体层有破坏。

掠入式X射线衍射（GIXRD）被用于研究这个材料有如此优秀性能的原因。有机共轭材料π-π堆积间距对于有机半导体来说是一个重要的参数。普通的XRD由于光信号相干性以及入射角度问题，较难测得有机共轭材料π-π堆积间距。GIXRD是测量这一重要数据的有力手段。在北京同步辐射漫散射实验站得到的π-π堆积间距为3.47Å（图2）。这一相对较小的π-π堆积间距一方面有利于载流子传输，另一方面，小的π-π堆积间距，加上较长的烷基侧链，有效的阻止了氧、水等不利于电子传输的物质的入侵。这是此材料有良好的空气稳定性和热稳定性的原因。

柔性的有机场效应晶体管及倒相器、振荡器的制备成功，证明此材料在低成本、大面积加工的有机电子学中有着重要的潜在应用价值。

图1 全溶液法加工的n型有机晶体管及其电路示意图。a)，NDI2OD-DTYM2的分子结构，晶体管制备过程。b)，全溶液法加工的柔性有机振荡器光学图片。

图2 GIXRD及分子排列示意图。