更好地理解薄膜的结晶,可以使电子器件的性能更好

星期二,08/05/2018 - 16:54


高度结晶的有机半导体薄膜具有很大的潜力,作为低成本柔性电子产品具有良好性能的基础。但其中一个障碍工程师曾陷入他们对如何用大单晶域制作这种薄膜的知识,这些薄膜不会减速或阻止收费运输。在突破性的研究由着名的ERC赠款支持,Paul Meremans教授,IMEC伴侣和IMEC大面积电子部门的主任以及他的同事研究了晶体在有机半导体材料中的形成程度。通过这种知识,它们开发了新的可缩放技术,以形成高度有序的晶体有机膜。它们已经设计了将这些薄膜集成到有机薄膜晶体管,有机太阳能电池和有机发光晶体管等装置中的方法。

创作信息:
Paul Meremans是Ku Leuven(比利时)电气工程系的IMEC和教授。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.

未开发的潜力——呼吁基础研究

有机半导体与其他类型的半导体材料根本不同。它们的分子性质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。多亏了后者——它们在发光方面的卓越特性——这样的有机半导体已经被用于最先进的智能手机和OLED显示器。

然而,与理论上可能的情况相比,今天的有机晶体管和电路仍然缺乏。它们的性能铰链可以通过电荷通过薄膜薄膜运输的速度。但由于这些薄膜目前沉积的方式,它们通常是高度混乱的:无定形或结晶到不大于通常一个微米的区域。因此,它们是多晶膜,具有随机,致密的晶状体之间的晶界模式。这些边界阻碍了电荷的运输,并且可以在这些层顶部处理的晶体管和电路中引起大的变化。

很清楚:目前表现不佳主要是由于薄膜的沉积方式;它不是使用的分子的属性。已经丰富地经过大量的实验室环境中创造的单晶电影,这些电影显示出比使用当今最先进的薄膜技术创造的特点和表演。因此,任何改进努力都应该解决薄膜的方式。

imec的保罗·赫尔曼斯(Paul hermans)和他的团队通过为期三年的“Epos crystals”研究项目,着手缩小业绩差距。作为一个由erc支持的项目,我们的目标是首先对有机材料的结晶以及如何将其转化为更好的薄膜制造技术进行基本了解。”

研究人员对可扩展技术特别感兴趣,可用于制造高度性能的电子设备,具有专门对光电设备的兴趣。从一开始,他们追求三个互锁目标:在任意基材上更好地增长高度有序的薄有机薄膜;模拟分子水平结晶薄膜的生长和电子性质;并制造具有晶体薄膜的更好的装置。

更好的理解会带来更好的电子产品

最近,该项目成功地结束了,有许多令人兴奋的结果,现在可以进一步转化为工业加工的实用技术和指南。这些是所研究的四种不同平台或技术中的一些亮点。

第一个结果涉及到处理大幅缩小的晶体管的挑战,每个晶体管都是在一个小的有机单晶上处理的。为此,研究人员观察了惰性基底上小分子通过微米孔径的模板膜的真空蒸发。通过仔细地控制成核过程,研究人员可以产生小单晶场阵列。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绘制金属电极的图案,从而产生微米大小的单晶电子设备。通过这种方式,该项目合作者能够处理电荷载流子迁移率超过12 cm2/Vs的薄膜晶体管。因此,这项研究加深了人们对这种小晶体如何生长以及设备如何在其上生长的理解。

除了小的单晶场,该项目还研究了如何生长、绘制和集成更大的单晶薄膜。对于生长,研究人员结合了缓慢的溶液涂层方法,形成一个厘米长的单晶晶粒模板,然后通过真空蒸发,外延生长相同的分子。这种创新的方法产生了电荷载流子迁移率超过10 cm2/Vs的薄膜。然而,在这些高迁移率材料上加工执行器件的一个主要障碍是接触电阻。为了克服这一问题,研究了新的掺杂和成熟方法。结果之一是成功地制备了包括环形振荡器在内的5 μ m通道长度的集成器件。

该项目还研究了高结晶性太阳能电池的制造。研究人员开发了一种新的热处理方法来蒸发无定形有机薄膜并使其重新结晶。然后用这一层作为模板在上面生长一层厚的同质外延膜。基于这些多晶薄膜的太阳能电池显示出更高的效率,这要归功于它们的长激子扩散长度(> 200 nm),甚至可以保持非常厚的薄膜。该项目进一步探索了使用晶体供体层来模板有机受体层的生长,诱导整个细胞结晶度。这对于成功制作一种新型太阳能电池至关重要——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,从而使太阳能电池的效率达到8.4%。

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设备。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域。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,这种发光晶体管在实现高亮度薄膜光源的道路上迈出了重要的一步。

这一成功的努力产生了广泛的影响

EPOS Crystalli项目被建立为基本的研究工作,这是一个广泛而多学科的运动,以推进薄膜技术。它涉及来自IMEC和其他机构的研究人员,并跨过物质研究的频谱对设备工程。通过产生的纸质和介绍,它已经对科学和研发社区产生了影响,而仍在持续下降。现在,随着在线的最终结果,它将是进一步优化和改进的基础,肯定会导致薄膜电子的实际突破。

Epos crysti是由欧洲研究理事会(ERC)根据欧盟第七框架计划(FP7/2007-2013) / ERC拨款协议(Epos crysti)授予Paul Heremans教授的高级拨款资助的项目。