有機半導體單晶由于其缺陷少、性能高是研究有機半導體本征特性和構(gòu)筑高性能有機場效應晶體管的理想材料。相較于多晶薄膜來說，單晶有著優(yōu)異的可重復性，并且有機單晶場效應晶體管為研究有機半導體的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系及物理傳輸機制提供了有效的工具。截至目前，已經(jīng)有多種方法用于生長有機半導體單晶，包括物理氣相傳輸法、溶液法、微距升華法等，但是沒有任何一種方法能夠制備厚度可控且均一的有機半導體單晶。
近日，天津大學李立強-陳小松團隊受多晶薄膜重結(jié)晶(一種自發(fā)的形態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象)的啟發(fā)，開發(fā)了一種空間限域重結(jié)晶的方法，通過施加縱向壓力的方法調(diào)控有機半導體多晶薄膜的重結(jié)晶過程，能夠快速生長厚度可控且均一的有機半導體單晶（圖1）。
作者系統(tǒng)研究了生長時間、生長溫度和縱向壓力等生長參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)晶體的生長時間與溫度和壓力呈現(xiàn)負相關(guān)。當溫度和壓力不斷增加時生長時間快速縮減，并且壓力的大小能夠有效的調(diào)控有機半導體單晶的厚度。作者通過調(diào)控生長溫度和生長壓力能夠在幾秒的時間內(nèi)將有機多晶薄膜生長成厚度可控且均一的有機半導體單晶（圖2）。
圖1. 空間限域重結(jié)晶方法的生長示意圖及晶體生長變化過程。圖片來源：Small
圖2. 有機單晶生長參數(shù)之間的關(guān)系。圖片來源：Small
利用空間限域重結(jié)晶方法制備的厚度均一的有機單晶其電學性能也表現(xiàn)出優(yōu)異的均一性。更值得一提的是這種方法有著優(yōu)異的普適性，適用于各種難溶和可溶的有機小分子和聚合物，僅需要簡單的控制生長壓力和生長時間就能夠得到質(zhì)量較高的厚度可控且均一的晶體。并且作者利用這種方法可以將多晶薄膜陣列轉(zhuǎn)變成單晶陣列，有機單晶陣列的電學性能得到了顯著提升（圖3）。作者開發(fā)的這種空間限域重結(jié)晶方法具有生長時間快速、厚度均一且可控性，以及較好的分子普適性，在有機電子和光電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
圖3. 利用空間限域重結(jié)晶的方法實現(xiàn)有機半導體單晶陣列的制備。圖片來源：Small
以上工作，以題為“General Spatial Confinement Recrystallization Method for Rapid Preparation of Thickness-controllable and Uniform Organic Semiconductor Single Crystals”的文章在線發(fā)表于《Small》期刊（DOI: 10.1002/smll.202301421）。天津大學分子聚集態(tài)科學研究院李立強教授和陳小松副教授主持該研究，為論文通訊作者。天津大學分子聚集態(tài)科學研究院博士生孫首港，戚建楠，博士后王曙光為論文共同第一作者。天津大學有機集成電路教育部重點實驗室、天津大學分子光電科學重點實驗室胡文平教授對本研究提供了支持和指導。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學基金，天津市自然科學基金，海河可持續(xù)化學轉(zhuǎn)化實驗室的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202301421
