有機(jī)半導(dǎo)體單晶由于其缺陷少、性能高是研究有機(jī)半導(dǎo)體本征特性和構(gòu)筑高性能有機(jī)場效應(yīng)晶體管的理想材料。相較于多晶薄膜來說，單晶有著優(yōu)異的可重復(fù)性，并且有機(jī)單晶場效應(yīng)晶體管為研究有機(jī)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系及物理傳輸機(jī)制提供了有效的工具。截至目前，已經(jīng)有多種方法用于生長有機(jī)半導(dǎo)體單晶，包括物理氣相傳輸法、溶液法、微距升華法等，但是沒有任何一種方法能夠制備厚度可控且均一的有機(jī)半導(dǎo)體單晶。
近日，天津大學(xué)李立強(qiáng)-陳小松團(tuán)隊受多晶薄膜重結(jié)晶(一種自發(fā)的形態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象)的啟發(fā)，開發(fā)了一種空間限域重結(jié)晶的方法，通過施加縱向壓力的方法調(diào)控有機(jī)半導(dǎo)體多晶薄膜的重結(jié)晶過程，能夠快速生長厚度可控且均一的有機(jī)半導(dǎo)體單晶（圖1）。
作者系統(tǒng)研究了生長時間、生長溫度和縱向壓力等生長參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)晶體的生長時間與溫度和壓力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。當(dāng)溫度和壓力不斷增加時生長時間快速縮減，并且壓力的大小能夠有效的調(diào)控有機(jī)半導(dǎo)體單晶的厚度。作者通過調(diào)控生長溫度和生長壓力能夠在幾秒的時間內(nèi)將有機(jī)多晶薄膜生長成厚度可控且均一的有機(jī)半導(dǎo)體單晶（圖2）。
圖1. 空間限域重結(jié)晶方法的生長示意圖及晶體生長變化過程。圖片來源：Small
圖2. 有機(jī)單晶生長參數(shù)之間的關(guān)系。圖片來源：Small
利用空間限域重結(jié)晶方法制備的厚度均一的有機(jī)單晶其電學(xué)性能也表現(xiàn)出優(yōu)異的均一性。更值得一提的是這種方法有著優(yōu)異的普適性，適用于各種難溶和可溶的有機(jī)小分子和聚合物，僅需要簡單的控制生長壓力和生長時間就能夠得到質(zhì)量較高的厚度可控且均一的晶體。并且作者利用這種方法可以將多晶薄膜陣列轉(zhuǎn)變成單晶陣列，有機(jī)單晶陣列的電學(xué)性能得到了顯著提升（圖3）。作者開發(fā)的這種空間限域重結(jié)晶方法具有生長時間快速、厚度均一且可控性，以及較好的分子普適性，在有機(jī)電子和光電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖3. 利用空間限域重結(jié)晶的方法實現(xiàn)有機(jī)半導(dǎo)體單晶陣列的制備。圖片來源：Small
以上工作，以題為“General Spatial Confinement Recrystallization Method for Rapid Preparation of Thickness-controllable and Uniform Organic Semiconductor Single Crystals”的文章在線發(fā)表于《Small》期刊（DOI: 10.1002/smll.202301421）。天津大學(xué)分子聚集態(tài)科學(xué)研究院李立強(qiáng)教授和陳小松副教授主持該研究，為論文通訊作者。天津大學(xué)分子聚集態(tài)科學(xué)研究院博士生孫首港，戚建楠，博士后王曙光為論文共同第一作者。天津大學(xué)有機(jī)集成電路教育部重點實驗室、天津大學(xué)分子光電科學(xué)重點實驗室胡文平教授對本研究提供了支持和指導(dǎo)。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金，天津市自然科學(xué)基金，海河可持續(xù)化學(xué)轉(zhuǎn)化實驗室的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202301421
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