李立强-迟力峰合作团队：有机半导体的单分子层精度组装、超薄膜生长机制以及潜在应用

来源：ACS美国化学会

12月24号，天津大学李立强教授团队与苏州大学迟力峰教授团队的AMR评述文章“Microstructured Ultrathin Organic Semiconductor Film via Dip-Coating: Precise Assembly and Diverse Applications”（Acc. Mater. Res. 2020, 1, 201–212）正式在线发表，并入选《材料研究评述》第三期正封面文章。作者团队详细介绍了有机半导体的单分子层精度组装、超薄膜生长机制以及潜在应用等方面的系列工作。

有机半导体（Organic semiconductor）具有机械柔性、化学结构丰富、易大面积制备等优势，是有机电子学的核心材料之一，在有机场效应晶体管(Organic field-effect transistor, OFET)、有机发光二极管（Organic light-emitting diode, OLED）、有机太阳能电池（Organic Photovoltaics, OPV）等领域具有重要的应用价值。近年来，针对有机半导体的科学研究取得一系列重大突破。例如，科学家已经制备出迁移率高达几十平方厘米每伏每秒（cm2/Vs）的半导体材料，性能接近于无定形硅；工业界成功发布了商业化柔性有机发光二极管电子屏幕，深受消费者喜爱。这些应用领域蕴藏着千亿美元的巨大市场。

与无机半导体不同的是，有机半导体分子之间依靠较弱的范德华力进行组装，其光电性质强烈依赖于分子的微观聚集态结构。因此，有机半导体分子的可控生长和组装对于研究晶体管器件物理、优化器件性能以及走向应用都具有重要意义。特别的是，仅有几个分子层厚度的有机半导体微结构化超薄膜为基础研究和实际应用都提供了非常理想的研究平台。

图1. 微结构化有机半导体超薄膜的材料、组装和应用

在这篇Account中，我们首先总结了提拉法（Dip-coating）生长微结构化有机半导体超薄膜（Micro-structured ultrathin organic semiconductor films, MUOSFs）的操作方法，然后从提拉速度、分子结构以及溶液性质三个方面，详细阐述了提拉法的生长动力学过程。在探明分子组装机制后，我们进一步提出了一种具有高普适性的“平衡策略”，将提拉法推广到多种有机半导体分子中，均成功生长出具有单分子层精度的有机半导体超薄膜。不同于文献中常用于描述分子层数的“平均精度”，该系列工作实现了分子层数可调的“真实精度”。图2（d-i）分别是一层到六层有机半导体超薄膜。

图2. (a-c)提拉法生长有机半导体超薄膜的动力学过程示意图，(d-i)单分子层精度的有机半导体超薄膜，从d到i依次为一到六层分子。

我们利用微结构化有机超薄膜的单分子层精度和高比表面积等性质，将其应用于有机场效应晶体管输运机制研究、高性能氨气传感器以及有机超薄膜的选区生长等领域，证明了该生长策略在理论和实践方面都具有重要的价值。最后，文章总结了提拉法生长有机半导体超薄膜目前仍需面对的挑战，以及在方法学和应用方面的发展前景，以期为读者提供新的思考方向。通过科研人的不断努力，共同促进有机电子学的理论研究和产业化发展。