天津大学李立强Nat. Commun.：利用势垒工程有效调控有机半导体中的热激活电荷传输

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。例如，用于电子芯片或电路的材料通常应具有较好的温度稳定性，从而避免环境温度变化或自身发热带来的影响；相反，具有强烈温度依赖性的热敏材料则非常适合用于温度的传感。那么，是否有可靠的方法能够根据应用需求有效地调控材料电荷输运的温度依赖性呢？

最近，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。该策略表明，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1. 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）。

研究者发现有机半导体中的晶界显著影响着其电荷输运过程。由于陷阱在晶界处的富集，空间电荷区在此处形成，造成能带弯曲，产生的势垒类似于一对背靠背的肖特基结。晶界处的电荷受势垒阻碍，只能通过热电子发射的方式越过势垒进行输运。热电子发射是一种热激活的电荷输运机制，其温度依赖性的强弱主要取决于电荷需要越过的有效势垒的高度，即E_B − qV_B（E_B和V_B分别是晶界处的势垒高度和分压）。

因此，只要找到能控制有效势垒高度的方法，即可调控电荷输运的温度依赖性。通过理论分析和实验表征，研究者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。研究者制备了具有不同晶粒尺寸的有机半导体薄膜器件。电荷输运温度依赖性的测试结果显示，有机半导体的温度灵敏度随晶粒尺寸的增加呈现先增大后减小的趋势。当晶粒尺寸较小时，晶界势垒E_B和分压V_B都随晶粒尺寸的增加而增加，有效势垒高度在二者的竞争作用下逐渐增大直到晶粒尺寸接近德拜长度的两倍时达到极大值，此时器件表现出最强的温度依赖性；之后，晶界势垒E_B不再增大，而分压的持续增加导致有效势垒开始随晶粒尺寸的增大而减小，器件逐渐向热稳定型转变。

图2. 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。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，第一作者为天津大学博士研究生黄忆男和中国科学技术大学硕士研究生龚雪。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Effectively modulating thermal activated charge transport in organic semiconductors by precise potential barrier engineering

Yinan Huang, Xue Gong, Yancheng Meng, Zhongwu Wang, Xiaosong Chen, Jie Li, Deyang Ji, Zhongming Wei, Liqiang Li, Wenping Hu

Nat. Commun., 2021, 12, 21, DOI: 10.1038/s41467-020-20209-w

李立强教授简介

李立强，天津大学教授，2002年和2005年在南开大学获得学士和硕士学位，2008年在中科院化学研究所获博士学位，2008年至2014年在德国明斯特大学物理所从事博士后研究工作。曾获中国科学院化学研究所青年科学奖、江苏省苏州市“高等院校、科研院所紧缺高层次人才”、江苏省“双创人才计划”。2014年入选国家青年高层次人才计划，研究方向是有机场效应晶体管材料与器件，重点研究高稳定性/高活性晶体管材料与器件、半导体的可控掺杂与应用以及电荷输运机制。