通过晶界势垒工程对有机半导体电荷输运的温度依赖性进行有效调控的策略

近期，天津大学分子聚集态科学研究院李立强教授课题组提出了一种通过晶界势垒工程对有机半导体电荷输运的温度依赖性进行有效调控的策略。这一成果近期发表在国际权威期刊《自然·通讯》（Nat. Commun.,2021,12, 21, DOI: 10.1038/s41467-020-20209-w）上，第一作者为天津大学分子聚集态科学研究院博士研究生黄忆男和中国科学技术大学硕士研究生龚雪。

在现代电子工业中，材料电荷输运的温度依赖性极大地影响甚至决定着它们的应用领域。如何根据应用需求有效地调控材料电荷输运的温度依赖性是科学家们面临的共同课题。李立强教授科研团队研究过程中发现有机半导体中的晶界显著影响着其电荷输运过程。通过理论分析和实验表征，发现晶界处的有效势垒高度可通过晶粒尺寸的变化实现有效的调控。当材料的晶粒尺寸接近德拜长度的两倍时，有效势垒高度可达到最大值，此时电荷输运表现出强烈的温度依赖性，而更大或更小的晶粒尺寸都会降低有效势垒高度，使材料表现出较高的热稳定性。

图:左:偏置电压下有机半导体晶界处的能带模型示意图。右：电荷输运的温度灵敏度与晶粒尺寸关系的条形图。（灵敏度定义为从25℃到85℃的电流变化率）

图:温度传感器的示范性应用。a传感器的温度分辨率达0.2°C。b温度传感器的循环稳定性。c温度传感器对手指触摸的响应。d温度传感器对红外热源的响应。e OFET温度传感器阵列的照片。f传感器阵列测得的温度分布图。

研究者制备了具有不同晶粒尺寸的有机半导体薄膜器件，并基于这种极高灵敏度的有机半导体制备了性能优异的温度传感器。这种温度传感器的灵敏度高达155，远超同类型器件的报道值。得益于超高的灵敏度，传感器实现了对环境红外热辐射的检测、对人体触摸的识别和温度分布探测。该成果有望为集成电路元器件和高性能传感器的设计提供新思路。（文/天津大学）