英文原题：Organic Heteroepitaxy Growth of High-Performance Responsive Thin Films with Solution Shearing Crystals as Templates

通讯作者：迟力峰、黄丽珍，苏州大学功能纳米与软物质研究院   

作者：Jie Lu (鲁婕), Zi Wang (王滋), Di Xue (薛娣), Ming Chu (楚明), Yingying Zhang (张莹莹), Lianlian Ji (冀连连), Qi Wang (王棋), Xingyu Jiang (蒋兴雨), Yinghui Sun (孙迎辉), Qian Miao (缪谦), Bin Dong (董彬), Lizhen Huang (黄丽珍) and Lifeng Chi (迟力峰)

背景介绍

近年来，柔性轻质且表/界面功能化可调的高响应薄膜材料广泛用于智能可穿戴设备。大部分有机传感器是基于外界刺激信号与活性层相互作用，影响载流子的浓度或者迁移率，表现为电学信号的改变，实现传感信号的反馈。基于大量有机传感的研究可知，微结构和输运水平是影响高传感响应的两个主要因素。因此，如何构筑具有合适微结构同时满足高输运水平的活性层非常重要。

薄膜生长优化是调控结构的最常见的策略。根据制备工艺原理的不同大致可分为真空沉积法和溶液法两大类。真空沉积法具有不受基底限制的优势，形貌上通常为无规则取向、小晶畴的形态。而近年来发展的一些弯液面辅助法在晶畴尺寸、取向控制、快速简便方面表现出明显的优势。例如浸渍提拉法、区域涂布法、溶液剪切法等，实现了大范围高取向结晶薄膜的制备。但是，溶液法受限于基底性质，难以在高疏水基底上成膜。

文章亮点

近日，苏州大学迟力峰教授团队将溶液法和真空沉积法相结合，以溶液剪切法生长大晶畴取向薄膜作为模板层，随后真空沉积异质外延生长有机敏感层。敏感层主要以垂直外延生长行为为主，选择性在模板层上生长，延续了模板层的结构特点，获得一维、梯田状高比表面积的微结构形貌。模板层除了作为外延模板外，还能够屏蔽基底表面的缺陷，提升载流子迁移率。基于此，该高迁移率、高比表面积异质外延薄膜表现出对紫外光和气体的高性能检测水平，为构筑高响应性薄膜提供了思路。与报导的两步法同质外延相比，异质外延在材料的选择上更为灵活。

如图1所示，化学结构式相似的两种分子TIPS-TAP(6,13-bis-((triisopropylsilyl)ethynyl)-5,7,12,14-tetraazapentacene)和TIPS-PEN(bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene)分别作为模板层和活性层材料，异质外延生长高质量活性层薄膜。其中，模板层的形貌可通过剪切速率来进行调控。

图1. （a）TIPS-TAP和TIPS-PEN分子结构式，（b）异质外延生长方法示意图，（c-j）不同剪切速率下TIPS-TAP光学显微镜图。

如图2所示，即使在不同剪切速率的模板层上，真空沉积的活性层薄膜保持了模板层的形貌，没有明显的变化，说明活性层复制了模板层的形貌。此外，随着活性层厚度的增加，形貌由大尺寸层状晶畴转变为条带状生长。

图2. （a-d）在不同剪切速率TIPS-TAP模板上沉积15 nm TIPS-PEN活性层的原子力显微镜图，（e-h）在TIPS-TAP模板上沉积不同厚度的TIPS-PEN活性层。

进一步对TIPS-PEN在TIPS-TAP上的生长行为表征，如图3所示。单独生长的模板层、活性层以及有模板层诱导的活性层三种薄膜的面外X射线衍射图峰位基本一致，仅有强度的区别。而二维X射线衍射表征图显示了单独生长的模板层和活性层（10l）晶面间距存在较大差异，模板层沿a方向的晶面间距小于活性层，有模板层诱导的活性层（10l）晶面间距发生收缩，更接近模板层，说明活性层受模板层的外延作用。

图3. （a）三种薄膜的面外X射线衍射图，（b-c）模板层薄膜和异质外延薄膜的高分辨原子力显微镜图，（d-f）三种薄膜的二维X射线衍射图。

以晶体管器件构型评估TIPS-PEN异质外延薄膜的电输运性质，如图4所示。这种异质外延薄膜表现出较高的p型信号，迁移率高达2.89 cm2V-1s-1。此外，还具有良好的均匀性和空气稳定性。

图4. （a）器件构型图，（b-c）转移输出特性曲线，（d）不同剪切速率模板层诱导的活性层迁移率，（e）器件平均迁移率分布图，（f）转移特性曲线的空气稳定性图。

除了具有较高的载流子输运能力外，这种TIPS-PEN异质外延薄膜还具有高比表面积的微结构形貌，利于高性能传感器件的构建。如图5所示，对紫外光的响应度高达2760 A/W，并且表现出良好的光开关性能。在气体传感方面，对NO2气体表现出高灵敏特性，选择性良好，检测限低至ppb级别等。

图5. （a-d）光晶体管应用，（e-h）气体传感应用。

总结/展望

溶液法和真空沉积法相结合的异质外延TIPS-PEN薄膜，较高的载流子输运能力和高比表面积的微结构形貌实现了高响应传感，为高性能传感器件的制备提供了思路。

相关论文发表在期刊ACS Materials Letters上，苏州大学硕士研究生鲁婕和材料姑苏实验室王滋博士为文章第一作者，迟力峰教授和黄丽珍教授为通讯作者。

通讯作者信息：

迟力峰 教授

课题组网站：

http://www.lfchi-group.com/ 

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ACS Materials Lett. 2022, 4, XXX, 1314–1321

Publication Date: June 6, 2022

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00359 

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