X射线揭示出，有机半导体中的单层相

有种材料是一种有机半导体，具有应用前景，一旦薄膜从晶体过渡到液晶状态，它们就会失去一些导电性。研究小组还发现了一种“第三相”，它不发生在块状材料中，与半导体的单分子层相对应。这种结构有利于电荷在薄膜间的传输，对微电子设计具有潜在的意义，其研究结果发表在《纳米研究快报》上。寡噻吩是很有前途的有机半导体，棒状分子可以在沉积的表面定向形成含有硫原子的碳氢化合物的循环，就像成堆的硬币一样。

相邻栈中的“硬币边”形成人字形，这种分子排列使电荷从一个分子转移到另一个分子。随着分子中硫代苯数量的增加，其导电性也随之增加，而这是以化合物的溶解度为代价。这些所谓噻吩基的最佳数目是4，为了增加溶解度，将己基片段接枝到共轭分子片段的末端。研究人员在真空反应器中溶解并蒸发了二己基四分之一噻吩(DH4T)，并将其作为薄膜沉积在硅衬底上，研究继续用掠入射x射线衍射研究样品的晶体结构。

这项技术包括以非常小的角度将胶片暴露在x射线下，以最大限度地增加x射线在胶片中经过多次反射后所走的距离。否则，薄膜发出的信号会太微弱，无法与基片信号区分开来。衍射测量使研究小组能够识别沉积在衬底材料中的分子排列。最初，DH4T是高度结晶的，它的分子形成人字形，几乎垂直于底物。然而，一旦加热到85摄氏度，材料就会发生相变：分子排列发生变化，形成液晶相，薄膜的导电性下降，样品进一步加热到130℃，然后冷却到室温。

这在一定程度上恢复了材料的结晶度，从而恢复了导电性。在加热过程中，x射线衍射剖面出现了第三种结构，表现为与液晶相不对应的弱衍射极大值。之前的研究已经将这种最大值与DH4T等化合物单分子层相关联。有趣的是，这个“第三相”在70摄氏度时也观察到了。研究发现的单层膜结构有利于电荷沿薄膜平面的输运，对柔性电子应用具有重要意义。此外，在与DH4T结构相似的其他化合物薄膜中，也可能出现新发现的相，这种材料用于微电子学。

由于电荷主要在衬底附近的薄层中转移，研究发现表明，有必要考虑这种材料的纳米结构如何影响其导电性。迪米特里·伊万诺夫(Dimitri Ivanov)教授是MIPT功能有机和混合材料实验室的负责人，也是法国国家科学研究中心(CNRS)的研究主任，并对研究结果发表了评论：使用原位方法，如结构分析，同时测量样品的电性能，使我们能够深入了解材料中复杂相变的性质，并评估其在有机电子领域的实际应用潜力。

有机太阳能电池更有优势，在人类利用太阳能的各项技术中，太阳能电池，即利用“光生伏打效应”将光能直接转换成电能的器件，是当前已获得广泛应用，同时也是最具发展前景的技术之一。长期以来，人们更多地以晶硅等无机材料为基础制备太阳能电池。但是这种电池生产存在工艺复杂、成本高、能耗大、污染重等弊端。能否找到一种成本低、效率高、柔性强、环境友好的新型有机材料研制出新型太阳能电池，眼下正成为世界各国科学家孜孜以求的目标。“以地球上最丰富的碳材料为基本原料，通过技术手段获得高效低成本的绿色能源，对于解决目前人类面临的重大能源问题具有极其重大的意义。”陈永胜介绍，从20世纪70年代起步的有机电子学及有机（高分子）功能材料的研究，为这一目标的实现提供了机遇。

与以硅为代表的无机半导体材料相比，有机半导体具有成本低、材料多样性、功能可调、可柔性印刷制备等诸多优点。目前，基于有机发光二极管（OLED）的显示屏已经实现了商业化生产，并在手机和电视显示屏中获得广泛应用。而基于有机高分子材料作为光敏活性层的有机太阳能电池，具有材料结构多样性、可大面积低成本印刷制备、柔性、半透明甚至全透明等优点，具有无机太阳能电池技术所不具备的许多优良特性。除了作为正常的发电装置外，在其他领域如节能建筑一体化、可穿戴设备等方面亦具有巨大的应用潜力，引起了学术界和工业界的极大兴趣。“特别是近年来，有机太阳能电池的研究获得了突飞猛进的发展，光电转化效率不断刷新。目前科学界普遍认为有机太阳能电池已经到了商业化的‘黎明前夕’。”陈永胜说。

在对传统硅材料相关应用研究达到瓶颈时，科学家们试图寻找替代材料，二维材料因具备特殊的单原子层厚特点成为近年来的研究热门，尤其是二硫化钼（MoS2）、二硫化钨（WS2）、二硒化钼（MoSe2）、二硒化钨（WSe2）等过渡金属硫化物（TMDCs）具有优异的光电特性，比较传统硅作为晶体管材料时能够实现更高的电荷迁移率与更低的功率损耗。

斯坦福大学科研人员基于二硫化钼发明了一种仅原子厚度的高性能晶体管，长度不到100纳米，但可以实现在低电压运行时耐受高电流。这使得柔性电子产品达到“薄如蝉翼”的效果成为可能。相关研究成果发表在《Nature Electronics》上。

随着 科技 的发展，虽然柔性电子设备已经在日常生活中“随处可见”了，如颜值较高的曲屏手机、升级版酷炫可折叠手机、不会“硌人”的智能服饰等等，但是人们对柔性电子技术的 探索 仍未止步，至少在轻薄度、可延性等方面仍然具有很大的发展空间。

柔性电子技术一般是通过将有机或无机材料电子器件制作在柔性或可延性的基板上，以使得传统坚硬的电子设备柔性化，从而能够在不规则的条件下稳定运行。最早可以追溯到上世纪60年代，当时科研人员一般以塑料、金属、玻璃、橡胶为基板，并尝试用有机半导体替代硅等无机半导体。

一般而言，材料的轻薄度与其柔性是正相关的，然而对于电子设备而言，轻薄材料的电压耐受性一般比较差，在实际应用过程中存在很大的安全隐患，尤其是应用在医疗数据跟踪器等可穿戴设备当中，基板受热分解、漏电或者是数据异常反馈不及时等都可能对使用者造成生命危险。因此，如何保证电子设备在满足性能条件的前提下趋于轻薄化与小型化，是至今为止研究人员一直在攻克的重要难点之一。

斯坦福大学研究人员提出了一种新的基于层的工艺使超薄电子设备成为可能。他们首先在覆盖有玻璃涂层刚性硅基板上，利用化学气相沉积法使原子厚度MoS2薄膜叠加成为仅三个原子厚度的涂层，该涂层上方覆盖着纳米级图形结构金电极，随后浸入去离子水中将整个器件堆栈剥离，并转移到由聚酰亚胺制成的柔性基板上。

最终包括基板在内的整个柔性场效应晶体管结构厚度仅5微米，且分辨率高、功耗低、散热效果佳。

新工艺在无线通信、“贴肤”电子产品、人体芯片等领域中具有很大的应用前景，目前研究人员正在寻找商业化规模生产的方法。此外，他们尝试利用二硒化钼（MoSe2）和二硒化钨（WSe2）材料验证这种晶体管制造方法的多样性。

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