ACS AMI┃溶剂表面张力“天平”制备晶圆级、全覆盖二维有机分子单层

英文原题：Wafer-Scale and Full-Coverage Two-Dimensional Molecular Monolayers Strained by Solvent Surface Tension Balance

通讯作者：张磊，南京大学；Paolo Samorì，斯特拉斯堡大学

作者：Baichuan Jiang, Yu Che, Yurong Chen, Yingxuan Zhao, Can Wang, Wenbin Li, Hongxian Zheng, Xinxin Huang, Paolo Samorì, and Lei Zhang

异质界面广泛存在于光电子器件中，对器件的性能起着至关重要的作用，是当今微电子技术蓬勃发展的基础。在有机场效应晶体管 (OFETs) 领域，界面工程同样也为器件性能提高以及新功能开发提供了有效途径。在此背景下，自组装分子单层技术 (SAMs)修饰关键界面日益受到研究者瞩目、不断获得应用。目前，SAMs制备工艺主要有以下几种：1）在固/气或固/液界面进行原位自组装。然而，该方法需要分子和基底表面具备特定化学基团。2）当条件适宜时，简单的旋涂或浸涂也可形成超薄薄膜甚至分子单层。不过该方法中使用的有机溶剂有可能会侵蚀、破坏理想的多层结构和界面。3）LB膜技术，该技术虽然克服了1）和2）中的问题，但需要较为复杂的设备且单层制备过程耗时长、效率低。

为了解决上述挑战，实现大面积、全覆盖分子单层的制备，南京大学介观化学教育部重点实验室张磊教授（点击查看介绍）、法国斯特拉斯堡大学Paolo Samorì教授（点击查看介绍）合作开发了一种利用有机溶剂与水之间的表面张力差制备二维分子单层的方法——溶剂表面张力天平（图1）。为展示该方法，研究者制得三种基于两亲性小分子（十二烷基三氯硅烷DDTS、十八烷基三氯硅烷ODTS和十八烷基膦酸ODPA）的二维分子单层，并将这些分子单层用于修饰OFETs关键界面，也即介电层/半导体和电极/半导体界面。

图1. 溶剂表面张力天平制备三种基于两亲性小分子的分子单层示意图及其AFM形貌表征

该溶剂表面张力天平方法制备的分子单层 (ODTS) 可转移至其他类型的基底表面，包括聚合物 (PVA、PVP、PAN)、无机材料 (SiO₂、Si₃N₄、Al₂O₃) 和金属 (Au)，显示该技术具有针对不同化学属性基底进行分子单层修饰的普适性和通用性（图2）。

图2. 溶剂表面张力天平制得的ODTS分子单层可转移至不同类型基底表面

研究者基于“溶剂表面张力天平”制备不同种类的有机分子单层，并将它们应用于修饰OFETs关键界面，即介电层/半导体界面（图3）和电极/半导体界面（图4）。与液相浸泡法不同，不论有机半导体的类型是小分子或是聚合物，也不论介电层的类型是无机材料或是聚合物，“溶剂表面张力天平”方法均获得了优异的修饰效果。以ODTS分子单层修饰二氧化硅/并五苯和金/并五苯界面为例，制备的底栅顶接触式和底栅底接触式OFETs器件迁移率的平均值分别高达6.16 cm² V^–1s^–1和1.02 cm² V^–1s^–1，均优于液相浸泡法制得的自组装分子单层，且为目前文献中报道的最佳结果之一。器件性能的差异可归因于并五苯小分子在溶剂表面张力天平制得的ODTS分子单层上生长的更好：晶粒更大、晶界更少，更有利于载流子的传输。

图3. 不同方法（液相浸泡法、溶剂表面张力天平）制备的ODTS分子单层修饰OFETs不同类型介电层/半导体界面示意图及其器件性能、并五苯生长形貌对比。

图4. 不同方法（液相浸泡法、溶剂表面张力天平）制备的ODTS分子单层修饰OFETs电极/半导体界面示意图及其器件性能、并五苯生长形貌对比

除了用于修饰OFETs关键界面，研究者还拓展了“溶剂表面张力天平”分子单层制备技术在其他方面的应用（图5）。首先，通过制备晶圆级ODTS分子单层，展示了“溶剂表面张力天平”可应用于工业界的巨大潜力；其次，柔性OFETs的成功制备及其修饰前后的器件性能对比，证明了柔性有机电子也可受益于该方法；最后，“微接触压印技术”和“溶剂表面张力天平”相结合，成功在硅片表面上印刷了分辨率高达1 μm的图案化分子单层。上述三方面的应用，充分证明了“溶剂表面张力天平”方法制备二维分子单层材料带来的优势和潜力。

图5. 溶剂表面张力天平在大面积、柔性衬底以及高分辨分子单层图案方面的应用

总之，这项工作采用创新的“溶剂表面张力天平”工艺，成功制备基于两亲性小分子的分子单层，并使用该分子单层对OFETs关键界面进行修饰，实现器件性能大幅提升。该方法仅借助水和有机溶剂之间的表面张力平衡，非常简单且成本低廉，潜在应用范围广泛。这项研究成果表明，“溶剂表面张力天平”工艺有潜力取代传统的制备分子单层技术，特别是LB膜技术，在有机纳米电子领域具有良好应用前景。

相关论文发表在 ACS Applied Materials & Interfaces上， 南京大学硕士研究生姜百川和车钰为文章的共同第一作者，南京大学张磊教授、法国斯特拉斯堡大学Paolo Samorì教授为共同通讯作者。

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Wafer-Scale and Full-Coverage Two-Dimensional Molecular Monolayers Strained by Solvent Surface Tension Balance

Baichuan Jiang, Yu Che, Yurong Chen, Yingxuan Zhao, Can Wang, Wenbin Li, Hongxian Zheng, Xinxin Huang, Paolo Samorì*, and Lei Zhang*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.1c04198

Publication Date: May 21, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

导师介绍

Paolo Samorì

https://www.x-mol.com/university/faculty/49826 

张磊

https://www.x-mol.com/groups/zhang_lei 

（本稿件来自ACS Publications）