有机场效应晶体管（organic field-effect transistors, OFETs）凭借其柔性、可大面积制备及生物兼容性等优势，在柔性显示、智慧医疗及物联网等领域展现了广阔的应用前景。经过近三十年的发展，OFETs的迁移率超过了氢化非晶硅场效应晶体管，已经满足实际应用的需求。然而，稳定性问题仍是制约其应用的关键因素。
天津大学李立强-陈小松课题组长期致力于解决OFETs的稳定性问题。针对有机半导体材料，该课题组揭示了有机半导体材料的失稳机制（Sci. Adv. 2021, 7, eabf8555; Nat. Commun. 2024, 15, 626），并开发了相应的增稳策略（Nat. Commun. 2022, 13, 1480; Adv. Mater. 2023, 35, 2306975; Nat. Mater. 2024, 23, 1268），解决了有机半导体材料的稳定性问题，从而打破了有机半导体材料本征不稳定的传统认知。针对OFETs器件的环境稳定性问题，该课题组也开发了相应的策略（Sci. Adv. 2023, 9, eadj4656; Adv. Mater. 2024, 36, 2400089; ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022, 14, 13584），解决了OFETs器件的热稳定性、光稳定性等问题。
除了有机半导体材料稳定性及OFETs器件的环境稳定性，OFETs器件的运行稳定性问题也是影响其实际应用的关键因素。针对OFETs器件的运行稳定性问题，空气中的水、氧气以及界面缺陷被认为是其主要影响因素，然而这一传统认知并不足以有效解决器件运行失稳的问题。
基于此，天津大学李立强-陈小松课题组通过调控OFETs的界面热导，揭示了除水、氧气和界面缺陷外，自热效应也是影响OFETs运行稳定性的关键因素之一。自热效应主要是由于器件在高功率密度下，半导体/介电层界面产生的焦耳热难以耗散，进而影响器件的性能及运行稳定性。基于上述认知，研究团队提出了六方氮化硼辅助OFETs界面散热的策略，改善界面散热后的OFETs在功率密度达到1.06 × 104 W cm−2的条件下，可连续运行3万秒，性能几乎没有下降。该工作不仅加深了对OFETs运行稳定性影响因素的认知，也为完善相关基础理论体系提供了重要支持。
首先，为排除水、氧气、界面缺陷等影响，研究团队在OFETs的有机半导体和介电层界面引入六方氮化硼（原子级平整且无悬键），通过物理气相传输方法生长高质量的晶体及通过转移金膜的方式制备源漏电极（避免引入缺陷），并在氮气环境中对器件进行测试，为研究运行稳定性的影响因素提供了理想体系。测试结果表明，引入六方氮化硼后的器件表现出理想的场效应特征。
图1 引入六方氮化硼后的OFETs结构及电学性能
进而，借助六方氮化硼超高的热导率，研究团队可以有效调控OFETs的界面热导。为了进一步研究焦耳热对OFETs运行稳定性的影响，研究团队对不同器件在不同功率密度下进行了3万秒的偏压测试。结果显示，引入六方氮化硼的器件在高功率密度和低功率密度下均表现出优异的运行稳定性。相比之下，仅钝化界面缺陷的器件虽然在低功率密度下表现出较好的运行稳定性，但在高功率密度下运行3万秒后，开态电流下降了40%以上，阈值电压负向漂移达5.6 V。以上结果表明除水、氧气及界面缺陷外，高功率密度下严重的自热效应可能是器件运行稳定性下降的主要原因。
图2 引入六方氮化硼后的OFETs在高功率密度下的运行稳定性
最后，为进一步验证六方氮化硼对界面热导的调控作用，研究团队使用红外热成像技术和扫描热探针显微镜分别表征了与OFETs运行稳定性相同测试条件下器件的散热情况。结果显示，具有六方氮化硼的器件温升显著降低，有效地改善了器件的散热情况。
图3 红外热成像技术和扫描热探针显微镜测试表征六方氮化硼的引入对器件散热的改善
这一成果近期发表在Science Advances期刊上，天津大学李立强教授和陈小松副教授主持了该工作，为论文通讯作者，复旦大学魏大程教授为共同通讯作者。天津大学硕士研究生铁凯，博士研究生戚建楠及博士后胡永旭为该论文的共同第一作者。天津大学有机集成电路教育部重点实验室、天津市分子光电科学重点实验室胡文平教授对本研究提供了支持和指导。该研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金、天津市自然科学基金、中央高校基本科研基金及上海学术/技术带头人计划的资助,并获得了苏州集智方成科技有限公司的技术支持。
论文信息：
Kai Tie,# Jiannan Qi,# Yongxu Hu,# Yao Fu, Shougang Sun, Yanpeng Wang, Yinan Huang, Zhongwu Wang, Liqian Yuan, Liqiang Li,* Dacheng Wei,* Xiaosong Chen,* Wenping Hu, Crucial role of interfacial thermal dissipation in the operational stability of organic field-effect transistors. Sci. Adv. 2024, 10, eadn5964.
