硅与铜酞菁基有机薄膜晶体管(OTFTs)的运行与环境稳定性评估：分子结构对器件性能的影响机制研究

这篇研究通过创新性循环测试协议，系统评估了四种酞菁半导体材料（CuPc/F10SiPc/F16CuPc/(F5PhO)2-F16-SiPc）在空气/N2环境中持续48-72小时的OTFT性能演变。研究揭示了分子结构差异导致的显著稳定性差异：F10-SiPc展现出优异的空气稳定p型特性，而(F5PhO)2-F16-SiPc则表现出卓越的n型空气稳定性。通过拉曼显微镜和二维有限元建模，证实性能变化主要源于半导体/绝缘体界面的固定电荷(Nint)变化，为有机电子器件的实际应用提供了关键设计准则。

　　

引言

有机薄膜晶体管（OTFT）在生物传感器、气体检测和柔性电路等领域展现出巨大潜力，但其环境与运行稳定性一直是实际应用的瓶颈。传统偏压应力测试难以模拟真实应用中的循环充放电场景，本研究通过开发新型循环测试协议，对四种酞菁半导体材料进行了系统性评估。

结果与讨论

环境与运行稳定性对比

在p型操作中，CuPc在空气中表现出明显的性能退化，阈值电压(V_T)正向偏移达39.8V，而F₁₀-SiPc则展现出反常的性能提升，归因于氧掺杂效应。氮气环境中，CuPc器件的V_T负向偏移表明陷阱态填充机制。

n型器件表现出更复杂的响应：(F₅PhO)₂-F₁₆-SiPc在空气中保持稳定，印证了其深LUMO能级（-4.8eV）的抗氧还原特性；而F₁₆CuPc则经历三阶段性能波动，揭示出氧吸附/解吸附的动态平衡过程。

分子取向分析

偏振拉曼显微镜显示所有材料的分子取向角（F₁₀SiPc:39.9°±0.3°；F₁₆CuPc:48.7°±0.7°）在应力测试前后保持稳定，排除形态学变化对性能的影响。这一发现将研究焦点转向电子结构层面。

建模解析机制

二维有限元建模揭示所有器件均存在高密度指数陷阱态（约10¹⁸cm^-3），但环境应力主要导致界面电荷密度(N_int)变化。例如CuPc在空气中的N_int从-9.0×10¹¹cm^-2增至-3.5×10¹²cm^-2，这种固定电荷层对栅极电场的屏蔽效应是V_T偏移的主因。

实验方法创新

研究采用自主设计的自动测试系统，实现20个器件/40分钟的循环测试频率，首次获得统计学显著的长期稳定性数据。底部栅极/顶部接触的器件结构采用优化电极组合：Au用于CuPc，Mn/Ag叠层用于F₁₀SiPc，以改善功函数匹配。

结论与展望

该研究建立了酞菁分子结构与OTFT稳定性的构效关系：轴向氟苯氧基取代增强硅酞菁的空气稳定性，而中心金属（Cu/Si）影响电荷传输机制。研究提出的循环测试协议和界面电荷模型为有机电子器件的可靠性评估提供了新范式，特别适用于需要脉冲操作的显示驱动和生物传感应用场景。未来研究可进一步探索分子工程与界面修饰的协同优化策略。