更好地理解薄膜中的结晶可以实现更好的电子性能

星期二,2018年8月5日 - 16:54


的有机半导体高度结晶的薄膜有很大的潜力,作为具有良好的性能的低成本柔性电子的基础。但障碍的一位工程师却碰上了是他们有限的,如何使这种薄膜与大单晶域,不减慢或阻止电荷运输领域的知识。在由著名的ERC资助项目的突破研究,教授保罗Heremans,IMEC研究员和IMEC的大面积电子部主任,和他的同事们研究了如何精确地有机半导体材料形成的晶体。有了这些知识,他们已经开发出新的,可扩展的技术来形成高度有序的晶体有机薄膜。和他们设计方法来集成这些薄膜进器件如有机薄膜晶体管,有机太阳能电池和有机发光晶体管。

创作信息:
保罗Heremans是IMEC研究员和教授在鲁汶大学的电子工程系(比利时)。He is director of imec’s large area electronics department, a research activity that he started in 1998. Paul received his PhD degree in Electrical Engineering from the KU Leuven in 1990. His research interests span AMOLED displays, large-area and flexible imagers, thin-film circuits such as NFC tags, photodetectors, and polymer ultrasound transducers.

尚未开发的潜力 - 呼吁基础研究

有机半导体与其他种类的半导体材料有很大的不同。它们的分子特性使它们具有独特的可调性和可加工性,并赋予它们有趣的光学特性。由于后者——它们在发光方面的优异性能——这种有机半导体已经被应用于先进的智能手机和OLED显示器等领域。

然而,今天取得的有机晶体管和电路仍然缺乏相比,现在在理论上是可能的。对速度它们的性能的铰链与电荷可通过材料的薄膜背后的电子运输。但由于这些方法薄膜沉积目前,他们通常是高度无序的非晶形或结晶成不超过通常1微米的面积。所以它们与晶畴之间的晶界的一个随机的,稠密图案的多晶膜。和这些界限阻碍电荷输送,并可能诱发在被上这些层的顶部上处理的晶体管和电路大的可变性。

需要明确的是:当前表现不佳主要是由于这些膜如何沉积;它不是所使用的分子的性质。已用下,显示更好的特性和性能比那些与国家的最先进的今天的薄膜技术创建的实验室环境下创造单晶薄膜大量证明。因此,任何改进工作应解决薄薄膜制成的方式。

imec的Paul Heremans和他的团队进行了为期三年的“Epos明朗化”研究项目,着手缩小性能差距。作为一个由erc支持的项目,我们的目标是首先寻求对有机材料结晶的基本理解,以及如何将其转化为更好的薄膜制作技术。”

研究人员特别感兴趣的是可用于制造高效能的电子可扩展技术,在光电器件特别感兴趣。从一开始,他们追赶三个相互关联的目标:在任意的基板高度有序的薄的有机膜的更好的生长;建模的生长和在分子水平上的晶体薄膜的电子性质;并且与晶薄膜更好的设备。

更好的理解带来更好的电子产品

近日,该项目被成功关闭,并有相当数量的,现在可以进一步转化为实用技术和准则的工业加工令人振奋的结果。这些都是一些研究,在四个不同的平台或技术的亮点。

第一个结果是关于大规模缩小晶体管处理的挑战,每个晶体管在一个小的有机单晶上处理。为此,研究人员观察了惰性基底上的小分子的真空蒸发,这些小分子是通过微米大小的金属丝网来实现的。通过小心地控制成核,研究人员可以生产出单晶小场的阵列。在第二步中,通过非常精确地对准掩模,就有可能在这些单晶场的正上方设计金属电极,从而制造出微米大小的单晶电子设备。这样,项目合作者就能够处理电荷载流子迁移率超过12 cm2/ v的薄膜晶体管。这项研究增加了对这种小晶体如何生长以及如何在其上生长的理解。

该项目还研究了小型单晶硅田附近如何生长、定型和集成更大的单晶硅薄膜。为了生长,研究人员结合了一种缓慢的溶液涂布方法,这种方法用厘米长的单晶颗粒形成模板,然后通过真空蒸发使同一分子的外延生长。这种创新的方法产生了电荷载流子迁移率超过10 cm2/ v的薄膜。然而,在这些高迁移率材料上加工性能器件的一个主要障碍是接触电阻。为此,研究了新的掺杂和催熟方法。一个结果集成设备的成功制造了5µm通道长度,包括环形振荡器。

该项目还研究了高晶体太阳能电池的制造。研究人员开发了一种新的热处理方法,使非晶有机薄膜蒸发并重新结晶。然后这一层被用作模板,在上面生长一个厚的同质外延膜。基于这些多晶薄膜的太阳能电池由于其较长的激子扩散长度(> 200 nm)而显示出更高的效率,这甚至适用于非常厚的薄膜。该项目进一步探索了使用晶体施主层来模板化有机受体层的生长,诱导整个细胞的结晶度。这是成功制造一种新型太阳能电池的关键——基于独特的三层结构的无富勒烯平面异质结。在这个电池概念中,三个互补的吸收器有助于产生电流,产生效率为8.4%的太阳能电池。

最后,研究人员研究了有机发光晶体管,开发了一种基于创新的双叠栅结构的器件。它利用有图案的晶体薄膜,独立地将电子和空穴引导到发光的复合区。结果是明亮的光发射和创纪录的14.2%的外部量子效率。由于其优异的特性,这种发光晶体管是迈向高亮度薄膜光源道路上的重要一步。

具有广泛影响的成功努力

该史诗Crystalli项目被设置为基本研究工作,广泛和多学科的运动,其目标是推进薄膜技术。它涉及到从IMEC等机构的研究人员从材料研究到设备工程跨越的频谱。通过有影响力的论文和演示,结果,它已经对科学和R&d社会的影响,同时它仍在进行中。现在有了最终结果即将上线,这将是进一步优化和改进的基础,必将导致薄膜电子实际突破。

该项目由欧洲研究理事会(ERC)根据欧盟第七框架计划(FP7/2007-2013) / ERC资助协议n°320680 (Epos i)提供的Paul Heremans教授的高级赠款资助。