化学所在分子材料和器件研究方面取得系列进展

　　在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的支持下，化学研究所有机固体院重点实验室的相关研究人员致力于分子材料和器件的研究，取得了一些新进展，引起了国际学术界的关注，并分别在Chem. Rev. 和Chem. Soc. Rev.上发表了综述。

　　在有机场效应晶体管(OFET)中，介电层/半导体层界面状态对器件性能有重要影响。在目前OFET的界面研究中，诸多界面参数的计算和测量都是基于统计平均的方法。表面能作为一个重要的介电层/半导体界面影响因素，其均匀程度对器件性能的影响在此前的界面研究中长期被忽视，而对表面能非均性这一关键因素考量的缺失，也正是界面研究中众多争议产生的主要根源之一。

　　该课题组在对介电层表面能非均匀性引起的一系列实验现象进行充分研究的基础上，通过实验证明了表面能非均匀性对有机场效应晶体管性能影响的广泛性，并且发现了表面能非均匀程度和有机场效应晶体管迁移率之间存在一种线性反比关系。相关研究成果发表在《先进材料》（Adv. Mater. 2011, 23, 1009-1014）上，并被选为插页（图1）。

　　随后，该课题组的研究人员又在上述工作基础上，通过利用介电层表面能非均匀性对有机半导体层生长形貌进行控制和优化，制备出空穴迁移率高达3.6cm2/Vs的并五苯场效应晶体管，这是国际上已报道的并五苯柔性薄膜器件的最优结果之一。同时，研究人员又在这一高性能晶体管基础上，制备了高性能柔性环形振荡器，振荡频率超过1 kHz（图2）。相关研究成果在《先进材料》（Adv. Mater. 2011, 23, 3128-3133）上发表。

　　石墨烯是由碳原子六角结构紧密排列的二维单层石墨层，是构成其它维度碳材料如富勒烯、碳纳米管和金刚石的基本单元。如何制备高质量，大面积，形貌可控的石墨烯是石墨烯领域的核心问题，也成为国际上石墨烯研究的竞争点所在。化学气相沉积法（CVD）由于具有成本低廉，可大规模制备等优点，近几年发展迅速，已经成为制备石墨烯的主要手段。该课题组采用CVD方法，选取金属铜作为催化剂，精确控制生长条件，成功地制备出形貌规则的六角石墨烯，并对其电学性质进行了深入研究（图3）。六角形貌石墨烯的发现极大地扩展了石墨烯领域的研究内容。相关研究内容发表在《先进材料》（Adv. Mater. 2011, 23, 3522-3525）上。

　　基于石墨烯的新结构的探索是石墨烯研究领域的一个重要研究内容。课题组在液氮的条件下通过微波火花法剥离天然石墨，获得了高质量、高纯度的碳纳米卷（图4）。这种石纳米卷是由少数层或单层石墨烯卷曲而成，并有紧密的结构。该碳纳米卷的场效应器件在空气和氮气中都具有稳定的双极性行为，在氮气中最高的空穴迁移率可以达到3117 cm2/Vs，电子迁移率可以达到4595 cm2/Vs。碳纳米卷的还具有着稳定的线性电流/电压曲线，最高电流密度可达7 × 107 A/cm2（Adv. Mater. 2011, 23, 2460-2463）。

　　最近，课题组和中国农业大学研究人员合作利用电化学方法，在柔性衬底上，将滴在两电极间的氧化石墨烯溶液中的氧化石墨烯通过一步法实现了还原和排布（图5左），并成功将其应用于农药的传感器中。该传感器对常用农药—乐果的传感灵敏度达到了7.6 ppb（图5右），并进一步分析得到该农药分子的活性来自于：氮、硫和磷原子的共同作用结果。相关研究成果发表在Adv. Mater. (2011, 23, 4626–4630)上。

　　多年来，相关研究人员开展了碳纳米管及其特性的研究，在碳纳米管可控制备、生长机理和电性能方面取得了系列成果，并得到学术界同行的认可，英国皇家化学会发表了Tutorial Review (Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 1324-1336)，系统地介绍了近几年来在碳纳米管分离和富集的成果。

　　作为潜在的大面积，低成本，柔性的电子器件，有机场效应晶体管的研究在过去十年取得了重要的发展，正在走向应用。有机场效应晶体管主要为薄膜型器件，因此薄膜的制备技术、表征技术对薄膜的质量和器件性能具有重要的影响。该课题组不但重视分子材料的化学结构与器件性能之间的关系，还在薄膜的凝聚态结构与器件性能之间的关系的研究方面取得一些成果。应Chem. Rev.杂志的邀请，就“应用于场效应晶体管的有机薄膜的制备与表征的实验技术”撰写了综述(Chem. Rev. 2011, 111, 3358-3406)。

介电层表面能非均匀性机理示意图和当期《先进材料》插页

基于高性能并五苯场效应晶体管的五级柔性环形震荡电路

CVD方法制备的六角石墨烯AFM图和两种可能的边界排列

碳纳米卷形成示意图

左图：为一步法排布与还原氧化石墨烯的示意图；右图：为制备的传感器对农药乐果的电流信号响应。