完成单位：中国科学院化学研究所、天津大学理学院

完成人：江浪、胡文平、刘洁、刘云圻

成果简介：

精确表征分子组装微观结构，测试分析有机半导体电荷传输物理化学过程是有机半导体材料与器件领域的关键科学技术问题。申请人针对上述技术难题，搭建了综合测试分析平台，包括聚集态结构与性能测试、器件原位微区光谱分析等。围绕分子材料创制、性能测试与机制分析、功能器件应用三个关键核心内容，揭示了微观尺度上的分子材料结构信息，推进了微观结构与宏观性能关系的认识，实现了高性能有机光电功能器件的制备，并取得如下成果：1）发展了单分子层分子晶体半导体新材料及其微观结构表征方法，为有机光电器件研究提供了新的平台；2）通过搭建原位微区光谱系统揭示了有机半导体器件物理及界面缺陷化学新现象，阐明了缺陷和界面工程对光电性能的影响规律。

创新点及科学价值：

高场效应迁移率有机半导体材料与器件是有机电子学中重要前沿研究方向之一，目前正处于有机场效应晶体管器件（OFETs）阵列性能波动性与稳定性等因素阻碍集成互联应用的瓶颈期。如何精确表征分子组装微观结构，测试分析有机半导体电荷传输物理化学过程是有机半导体材料与器件领域的关键科学技术问题。

（1）发展了单分子层分子晶体半导体新材料及其微观结构表征方法。

有机单晶具有分子排列高度有序、缺陷少的特点，是构筑光电器件的理想材料。当有机单晶的厚度低至单分子层时，即单分子层分子晶体（MMC），其OFET器件避免了体电阻的存在，并暴露出导电沟道传输层，有利于直接表征电荷传输物理过程。MMC的成功制备为表征有机半导体材料本征性能、揭示材料结构与性能之间关系、探索载流子传输模式和大规模集成应用提供了独特的视角。由于MMC超薄的特征，加大了其结构表征难度，迫切需要发展MMC半导体新材料及其微观结构表征方法。通过溶液和界面控制组装方法，发展了多种空间限域生长MMC的新方法，通过该测试分析平台系统研究了半导体微观结构，原位光谱和光电性能，建立了材料结构与性能之间的联系，并实现了高性能有机光电功能器件的制备。

（2）通过搭建原位微区光谱系统揭示了有机半导体器件物理及界面缺陷化学新现象。

晶体管半导体/界面缺陷是器件稳定性的关键影响因素。在过去的研究中，主要重视OFETs的存放稳定性及循环测试稳定性，而器件光稳定性一直是有机半导体材料领域研究的重点但依然面临挑战。通过原位器件显微测试手段，包括吸收及荧光光谱、时间分辨荧光发射谱和卡尔文探针显微镜等，揭示了OFETs器件中体缺陷和界面缺陷是导致其光不稳定性的根源。另外，钙钛矿型FETs的性能主要受到器件不稳定性的影响，而其晶体管器件不稳定性的来源还不清楚。通过研究基于甲基铵溴化铅的钙钛矿单晶FETs，发现在正电极与半导体界面上因离子迁移发生电化学反应形成了有缺陷混合层的新现象，揭示了该器件不稳定是由于界面处电化学反应引起的。这项工作解决了实现高性能溶液处理钙钛矿晶体管的关键挑战。

社会经济效益：

该项目发展的原位器件微区光谱分析测试系统，有望催生高性能和新功能有机光电功能材料与器件，加深对有机半导体器件中电子传输特性的认知，为重大创新甚至原始创新奠定技术基础。截止2021年7月，项目第一完成人江浪个人论文总引用超过7000次，其中2016年搭建该测试系统以来发表论文67篇包括通讯作者文章24篇。

应用前景：

该项目搭建的综合测试系统已经和所内外团队，如化学所张德清研究员，宋延林研究员、北京大学占肖卫教授、中国科学院大学黄辉教授、华中科技大学翟天佑教授、南京工业大学王建浦教授等团队开展了广泛的合作，取得了系列重要成果。