化學所在分子材料和器件研究方面取得系列進展

　　在科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的支持下，化學研究所有機固體院重點實驗室的相關研究人員致力于分子材料和器件的研究，取得了一些新進展，引起了國際學術界的關注，并分別在Chem. Rev. 和Chem. Soc. Rev.上發表了綜述。

　　在有機場效應晶體管(OFET)中，介電層/半導體層界面狀態對器件性能有重要影響。在目前OFET的界面研究中，諸多界面參數的計算和測量都是基于統計平均的方法。表面能作為一個重要的介電層/半導體界面影響因素，其均勻程度對器件性能的影響在此前的界面研究中長期被忽視，而對表面能非均性這一關鍵因素考量的缺失，也正是界面研究中眾多爭議產生的主要根源之一。

　　該課題組在對介電層表面能非均勻性引起的一系列實驗現象進行充分研究的基礎上，通過實驗證明了表面能非均勻性對有機場效應晶體管性能影響的廣泛性，并且發現了表面能非均勻程度和有機場效應晶體管遷移率之間存在一種線性反比關系。相關研究成果發表在《先進材料》（Adv. Mater. 2011, 23, 1009-1014）上，并被選為插頁（圖1）。

　　隨后，該課題組的研究人員又在上述工作基礎上，通過利用介電層表面能非均勻性對有機半導體層生長形貌進行控制和優化，制備出空穴遷移率高達3.6cm2/Vs的并五苯場效應晶體管，這是國際上已報道的并五苯柔性薄膜器件的最優結果之一。同時，研究人員又在這一高性能晶體管基礎上，制備了高性能柔性環形振蕩器，振蕩頻率超過1 kHz（圖2）。相關研究成果在《先進材料》（Adv. Mater. 2011, 23, 3128-3133）上發表。

　　石墨烯是由碳原子六角結構緊密排列的二維單層石墨層，是構成其它維度碳材料如富勒烯、碳納米管和金剛石的基本單元。如何制備高質量，大面積，形貌可控的石墨烯是石墨烯領域的核心問題，也成為國際上石墨烯研究的競爭點所在。化學氣相沉積法（CVD）由于具有成本低廉，可大規模制備等優點，近幾年發展迅速，已經成為制備石墨烯的主要手段。該課題組采用CVD方法，選取金屬銅作為催化劑，精確控制生長條件，成功地制備出形貌規則的六角石墨烯，并對其電學性質進行了深入研究（圖3）。六角形貌石墨烯的發現極大地擴展了石墨烯領域的研究內容。相關研究內容發表在《先進材料》（Adv. Mater. 2011, 23, 3522-3525）上。

　　基于石墨烯的新結構的探索是石墨烯研究領域的一個重要研究內容。課題組在液氮的條件下通過微波火花法剝離天然石墨，獲得了高質量、高純度的碳納米卷（圖4）。這種石納米卷是由少數層或單層石墨烯卷曲而成，并有緊密的結構。該碳納米卷的場效應器件在空氣和氮氣中都具有穩定的雙極性行為，在氮氣中最高的空穴遷移率可以達到3117 cm2/Vs，電子遷移率可以達到4595 cm2/Vs。碳納米卷的還具有著穩定的線性電流/電壓曲線，最高電流密度可達7 × 107 A/cm2（Adv. Mater. 2011, 23, 2460-2463）。

　　最近，課題組和中國農業大學研究人員合作利用電化學方法，在柔性襯底上，將滴在兩電極間的氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯通過一步法實現了還原和排布（圖5左），并成功將其應用于農藥的傳感器中。該傳感器對常用農藥—樂果的傳感靈敏度達到了7.6 ppb（圖5右），并進一步分析得到該農藥分子的活性來自于：氮、硫和磷原子的共同作用結果。相關研究成果發表在Adv. Mater. (2011, 23, 4626–4630)上。

　　多年來，相關研究人員開展了碳納米管及其特性的研究，在碳納米管可控制備、生長機理和電性能方面取得了系列成果，并得到學術界同行的認可，英國皇家化學會發表了Tutorial Review (Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 1324-1336)，系統地介紹了近幾年來在碳納米管分離和富集的成果。

　　作為潛在的大面積，低成本，柔性的電子器件，有機場效應晶體管的研究在過去十年取得了重要的發展，正在走向應用。有機場效應晶體管主要為薄膜型器件，因此薄膜的制備技術、表征技術對薄膜的質量和器件性能具有重要的影響。該課題組不但重視分子材料的化學結構與器件性能之間的關系，還在薄膜的凝聚態結構與器件性能之間的關系的研究方面取得一些成果。應Chem. Rev.雜志的邀請，就“應用于場效應晶體管的有機薄膜的制備與表征的實驗技術”撰寫了綜述(Chem. Rev. 2011, 111, 3358-3406)。

介電層表面能非均勻性機理示意圖和當期《先進材料》插頁

基于高性能并五苯場效應晶體管的五級柔性環形震蕩電路

CVD方法制備的六角石墨烯AFM圖和兩種可能的邊界排列

碳納米卷形成示意圖

左圖：為一步法排布與還原氧化石墨烯的示意圖；右圖：為制備的傳感器對農藥樂果的電流信號響應。