2021年CAIA獎一等獎：功能分子器件原位顯微分析測試與應用
完成單位：中國科學院化學研究所、天津大學理學院
完成人：江浪、胡文平、劉潔、劉云圻
成果簡介：
精確表征分子組裝微觀結構，測試分析有機半導體電荷傳輸物理化學過程是有機半導體材料與器件領域的關鍵科學技術問題。申請人針對上述技術難題，搭建了綜合測試分析平臺，包括聚集態結構與性能測試、器件原位微區光譜分析等。圍繞分子材料創制、性能測試與機制分析、功能器件應用三個關鍵核心內容，揭示了微觀尺度上的分子材料結構信息，推進了微觀結構與宏觀性能關系的認識，實現了高性能有機光電功能器件的制備，并取得如下成果：1）發展了單分子層分子晶體半導體新材料及其微觀結構表征方法，為有機光電器件研究提供了新的平臺；2）通過搭建原位微區光譜系統揭示了有機半導體器件物理及界面缺陷化學新現象，闡明了缺陷和界面工程對光電性能的影響規律。
創新點及科學價值：
高場效應遷移率有機半導體材料與器件是有機電子學中重要前沿研究方向之一，目前正處于有機場效應晶體管器件（OFETs）陣列性能波動性與穩定性等因素阻礙集成互聯應用的瓶頸期。如何精確表征分子組裝微觀結構，測試分析有機半導體電荷傳輸物理化學過程是有機半導體材料與器件領域的關鍵科學技術問題。
（1）發展了單分子層分子晶體半導體新材料及其微觀結構表征方法。
有機單晶具有分子排列高度有序、缺陷少的特點，是構筑光電器件的理想材料。當有機單晶的厚度低至單分子層時，即單分子層分子晶體（MMC），其OFET器件避免了體電阻的存在，并暴露出導電溝道傳輸層，有利于直接表征電荷傳輸物理過程。MMC的成功制備為表征有機半導體材料本征性能、揭示材料結構與性能之間關系、探索載流子傳輸模式和大規模集成應用提供了獨特的視角。由于MMC超薄的特征，加大了其結構表征難度，迫切需要發展MMC半導體新材料及其微觀結構表征方法。通過溶液和界面控制組裝方法，發展了多種空間限域生長MMC的新方法，通過該測試分析平臺系統研究了半導體微觀結構，原位光譜和光電性能，建立了材料結構與性能之間的聯系，并實現了高性能有機光電功能器件的制備。
（2）通過搭建原位微區光譜系統揭示了有機半導體器件物理及界面缺陷化學新現象。
晶體管半導體/界面缺陷是器件穩定性的關鍵影響因素。在過去的研究中，主要重視OFETs的存放穩定性及循環測試穩定性，而器件光穩定性一直是有機半導體材料領域研究的重點但依然面臨挑戰。通過原位器件顯微測試手段，包括吸收及熒光光譜、時間分辨熒光發射譜和卡爾文探針顯微鏡等，揭示了OFETs器件中體缺陷和界面缺陷是導致其光不穩定性的根源。另外，鈣鈦礦型FETs的性能主要受到器件不穩定性的影響，而其晶體管器件不穩定性的來源還不清楚。通過研究基于甲基銨溴化鉛的鈣鈦礦單晶FETs，發現在正電極與半導體界面上因離子遷移發生電化學反應形成了有缺陷混合層的新現象，揭示了該器件不穩定是由于界面處電化學反應引起的。這項工作解決了實現高性能溶液處理鈣鈦礦晶體管的關鍵挑戰。
社會經濟效益：
該項目發展的原位器件微區光譜分析測試系統，有望催生高性能和新功能有機光電功能材料與器件，加深對有機半導體器件中電子傳輸特性的認知，為重大創新甚至原始創新奠定技術基礎。截止2021年7月，項目第一完成人江浪個人論文總引用超過7000次，其中2016年搭建該測試系統以來發表論文67篇包括通訊作者文章24篇。
應用前景：
該項目搭建的綜合測試系統已經和所內外團隊，如化學所張德清研究員，宋延林研究員、北京大學占肖衛教授、中國科學院大學黃輝教授、華中科技大學翟天佑教授、南京工業大學王建浦教授等團隊開展了廣泛的合作，取得了系列重要成果。
