影響器件穩定性的關鍵因素是有機半導體材料的化學和物理穩定性。傳統觀點認為有機晶體管穩定性差主要源自有機半導體化學結構不穩定。目前，通過分子設計和封裝等策略，有機半導體的化學穩定性問題已經得到有效解決。但在長期保存過程中，基于化學結構穩定的有機半導體構筑的晶體管仍會發生性能衰減，說明除化學因素外，還有其他因素導致器件失穩。大量研究表明有機半導體薄膜的物理聚集態結構（晶相和形貌）演變是器件失穩的關鍵原因之一，但其內在機制長期未被揭示，因而未開發出有效的增穩策略以構建長壽命晶體管器件。傳統觀點認為有機半導體分子間作用力弱，因而其聚集態結構易失穩，這是有機半導體的本征屬性，難以解決。
近年來，天津大學分子聚集態科學研究院李立強教授團隊聚焦于有機半導體材料與器件的失穩機制與增穩策略，在前期工作中，通過和頻振動光譜技術，揭示了分子構象誘導的界面應力是有機半導體分子聚集態結構演變與器件失穩的關鍵內在驅動力之一（Sci. Adv.2021,7, eabf8555）。在界面應力的研究基礎上，通過文獻調研發現，薄膜內還存在熱膨脹系數差異、結構缺陷（如位錯、空位、晶界）等因素導致的應力。在這些應力的共同作用下，材料的聚集態結構處于不穩定的應變態（Strain state）。
欲實現穩定的分子聚集態結構，需開發恰當策略解決應力驅動的失穩問題。根據經典的材料力學理論，應力分為張應力與壓應力，在材料內分別引起張應變和壓應變，若通過調控使薄膜內張、壓應力（應變）相互抵消，此時薄膜整體表現為應力應變平衡狀態（即無應變狀態），薄膜體系的總吉布斯自由能趨近最低點，其聚集態結構具有優異的穩定性。迄今為止，在有機晶體管領域內，通過應力應變平衡策略實現穩定的有機半導體聚集態結構的研究未見報道。
為了證明有機半導體薄膜內應變態的存在并探索其對材料聚集態結構的影響，李立強教授團隊采用X射線衍射技術（XRD）對有機半導體薄膜進行了結構表征，發現有機半導體薄膜的應變大小和種類與膜厚存在較強的依賴關系（圖1a，b）。隨著厚度的增加，有機半導體膜會表現出由張應變到壓應變的變化過程，在這個過程中存在臨界厚度使有機半導體膜處于無應變狀態（Strain-free state）。根據布拉格定律，以有機半導體單晶的（001）晶面間距為標準，當膜厚較小時，有機半導體膜的晶面間距偏大，處于張應變狀態；當膜厚超過臨界厚度（DNTT材料臨界厚度約200 nm）時，有機半導體膜的晶面間距偏小，處于壓應變狀態；當膜厚為臨界厚度時，有機半導體膜的晶面間距與單晶相近，處于無應變狀態（圖1d）。
圖1 有機半導體厚度依賴的薄膜應變與聚集態結構變化
不同應變狀態的有機半導體膜在長達5年的保存過程中，其聚集態結構表現出極大差異。如圖1e所示，低于200 nm的薄膜在張應變作用下發生嚴重的去浸潤現象，超過200 nm的厚膜在壓應變作用下發生開裂現象，而200 nm的有機半導體膜表現出極穩定的聚集態結構。這些現象表明，通過調控薄膜的應變狀態，可以實現超穩定的薄膜聚集態結構。應變不平衡的有機半導體膜通過發生去浸潤或開裂現象釋放內應力，進而導致薄膜聚集態結構失穩（圖1c-e）。
圖2 保存5年后的有機晶體管的保存穩定性、操作穩定性以及與文獻報道壽命對比
基于無應變薄膜構筑了具有優異保存穩定性的晶體管，保存壽命超過五年，此壽命值顯著優于文獻中器件的保存壽命（圖2a，d）。而且器件在保存五年后，依然具有優異的操作穩定性，可經受32500次循環操作，并可長時間驅動有機發光二極管（organic light-emitting diode，OLED）（圖2b，c），展現出優異的應用潛力。
該系列工作揭示了應力驅動的有機半導體聚集態結構失穩機制，深化了對有機半導體聚集態結構穩定性的認知。開發了普適性的應變平衡增穩新策略，提升了材料聚集態結構保存穩定性，顛覆了有機半導體分子間作用力弱導致聚集態結構不穩定的傳統觀點，構筑了5年長壽命晶體管，為有機晶體管的實用化奠定了堅實的基礎。相關成果發表于Nature Communications (Nat. Commun.2022,13, 1480)。
Nature Communications文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29221-8
導師介紹：李立強，天津大學教授、博士生導師，2002年和2005年在南開大學獲得學士和碩士學位，2008年在中科院化學研究所獲得博士學位（導師：胡文平研究員、朱道本院士）。2008年至2014年在德國明斯特大學物理所從事博士后研究工作（合作導師：遲力峰教授），2014年加入中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，任研究員，2019年調入天津大學。一直從事有機場效應晶體管材料與器件研究，重點聚焦有機半導體的失穩機制與增穩策略。在Adv. Mater.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等期刊上發表文章80余篇。主持國家重點研發計劃子課題、國家自然科學基金面上項目、中國科學院前沿科學重點研究項目、天津市杰出青年基金項目，參與國家自然科學基金創新研究群體項目和重點項目。
