上海光源衍射线站助力聚合物场效应晶体管等领域研究

上海光源BL14B1衍射线站作为通用衍射研究平台，可以为用户提供高角衍射、掠入射衍射、反射率、漫散射、倒易空间强度绘制(Reciprocal Space Mapping)、极图等实验方法；研究对象涵盖多晶粉末、单晶及多晶薄膜和块体样品，无机和有机样品，固态和液态样品；为凝聚态物理、材料科学、化学、高分子、地质等领域的用户提供了优质高效的结构研究平台。在衍射线站工作人员的积极配合和努力下，用户在聚合物场效应晶体管、有机半导体分子薄膜和铁电薄膜等研究领域取得重要进展，成果分别于近期发表在美国化学学会顶尖期刊Journal of the American Chemical Society和Wiley公司出版的材料化学重要期刊Advanced Materials 和Advanced Functional Materials等杂志上。

为了替代基于无定形的硅薄膜晶体管材料，有机场效应晶体管取得了很大的发展。比起小分子半导体材料，聚合物材料具有溶液可加工性，更好的机械性能和热力学稳定性。小分子场效应晶体管的研究已经取得了很大的进展，然而聚合物场效应晶体管的研究则比较滞后。传统的聚合物场效应晶体管的研究主要是基于聚噻吩类化合物，它们虽然表现出了比较高的迁移率，但是他们在空气中的稳定性比较差，迁移率下降很快。

北京大学裴坚教授课题组设计并合成了基于异靛青类分子的两个聚合物IIDDT和IIDT，IIDDT分子表现出了很高的迁移率，达到0.79 cm² V^-1 s^-1，同时也表现出了很好的空气稳定性，可放在湿度达60%的空气中稳定长达6个月之久。在上海光源衍射实验站利用掠入射X射线衍射发现，之所以IIDDT表现出比IIDT高出一个数量级的迁移率，是由于该聚合物具有较高的对称性，有利于面内π-π堆积和面外的层状相得形成。如图1所示，IIDDT薄膜有四个很强的衍射峰，表明薄膜具有侧立薄层状堆积结构。而IIDT薄膜只有很弱的弥散衍射环，表明其具有相对非晶的结构。该成果发表在国际化学顶尖杂志J. Am. Chem. Soc.（2011, 133 (16):6099–6101 DOI：10.1021/ja111066r）上。

分子尺度超薄膜恰是有机半导体材料科学目前研究的要点，在建立薄膜的结构与功能关系、软物质结构的纳米尺度热力学稳定性、高品质有机半导体薄膜的分子设计和制备方法等方面发挥重要作用。

中国科学院长春应用化学物理研究所阎东航研究员课题组首先采用两种晶胞参数存在明显差异的棒状小分子BPTT和BPPh进行共沉积。在上海光源衍射站利用X射线衍射研究不同比例共沉积薄膜的平面内结构，可以看到每个衍射峰为单峰，没有发生峰形分裂，说明系列共沉积薄膜为均一结构的薄膜，并且随着BPTT和BPPh比例变化，衍射峰位置发生漂移(图2g)，平面内晶面间距随组分比例的变化线性变化(图2h)。研究成果发表在Adv. Mater.（2011, 23, 3455–3459. DOI：10.1002/adma.201101353）。

铁酸铋BiFeO₃是一种新型钙钛矿结构的多铁材料，其在室温下同时具有电有序和磁有序，在高密度存储、磁电读写的新型记忆元件等方面存在潜在的应用前景。

制成薄膜后，BiFeO₃的结构受衬底引起的外延应力影响很大。新加坡光源杨平教授同南洋理工大学陈朗博士合作，在上海光源测试了在不同衬底上生长的BiFeO₃薄膜的倒易空间Mapping，仔细研究了多铁性BiFeO₃薄膜的外延应力引起的结构相变研究。通过分析同步辐射倒易空间图，发现BiFeO₃亚稳伪四方相(T-like)实际上是Mc型单斜相，低对称性的单斜相有望进一步提高BiFeO₃薄膜的压电和磁电耦合性能。通过该研究还确定了外延应力引起BiFeO₃薄膜极化转动的路径，如图3(b)所示。研究成果发表在Adv. Funct. Mater.（2011, 21, 133-138. (DOI：10.1002/adfm.201101970）。

图1.(a)IIDDT和(b)IIDT的掠入射衍射图样；(c)IIDDT和(d)IIDT的AFM高度图

图2. 共沉积薄膜(a) BPTT:BPPh(2:1)；(b) BPTT:BPPh(1:1)；(c) BPTT:BPPh(1:2)原子力形貌图；(f) BPTT:BPPh(1:1)薄膜选区电子衍射图谱；(g)不同组分比例的BPTT:BPPh共沉积薄膜(5 nm)平面内掠入射X射线衍射图谱；(h)共沉积薄膜的晶胞参数随组分比例的变化关系。

图3. (a)LaAlO₃ 衬底上生长的BiFeO₃薄膜的(103)倒格点附近的倒空间mapping；(b)外延应力引起的极化转动路径图。

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