氟化单分子层栅极介电表面工程：降低OFET接触电阻与非理想特性的创新策略

这篇综述系统探讨了通过氟化自组装单分子层（SAMs）功能化氧化铝（Al2O3）栅极介电表面对有机场效应晶体管（OFETs）性能的优化作用。研究揭示了氟化SAMs在降低接触电阻（Rc）、消除滞回效应、实现近零阈值电压（Vth）方面的关键机制，为柔性电子器件设计提供了新思路。

　　

1 引言

有机场效应晶体管（OFETs）因其在柔性电子领域的潜力备受关注，但滞回效应、接触电阻和电荷陷阱等问题制约其发展。苯并噻吩并苯并噻吩衍生物（Ph-BTBT-10）因其高迁移率和环境稳定性成为明星材料，但其性能受栅极介电界面特性显著影响。本研究聚焦氟化/非氟化烷基膦酸自组装单分子层（PA-SAMs）修饰的Al₂O₃介电表面对Ph-BTBT-10薄膜生长及器件性能的调控作用。

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

通过接触角测试和光电子能谱（PESA）证实，氟化SAMs（F21C12-PA和F15C18-PA）使介电表面功函数提升至5.9 eV和5.7 eV，高于未氟化SAM（C18-PA，5.5 eV）。原子力显微镜（AFM）显示，室温沉积的Ph-BTBT-10薄膜在所有基底上均形成26.7 ?层间距的单层层状结构，但界面处存在5.5 nm厚双分子层排列。值得注意的是，F15C18-PA修饰的基底诱导出更平滑的薄膜形貌（粗糙度仅1.2 nm），归因于部分氟化链减少的空间位阻效应。

2.2 OFET电学特性

氟化SAMs显著改善器件性能：

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  阈值电压优化：F15C18-PA将V_th从-11.7 V（裸Al₂O₃）降至-2.5 V，接近理想零值。

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  接触电阻降低：传输线法（TLM）测得F15C18-PA器件的接触电阻（R_c）低至1.1 kΩ·cm，较裸Al₂O₃降低50倍。

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  迁移率一致性：氟化SAMs使线性区与饱和区迁移率差值从1.3 cm²/V·s（裸基底）缩小至0.08 cm²/V·s，表明非理想行为减弱。

机制分析表明，氟化SAMs通过双重作用改善性能：

1. 1.

   陷阱钝化：C-F键的疏水性减少界面OH基团导致的电荷陷阱，浅陷阱密度（N_t1）估算值降低60%。

2. 2.

   能带调控：氟原子诱导的界面偶极提升半导体HOMO能级，促进空穴注入。

3 结论

氟化SAMs功能化Al₂O₃介电层在不改变Ph-BTBT-10本征分子堆积的前提下，通过优化界面电子结构和降低陷阱密度，实现OFETs接触电阻与非理想特性的协同调控。其中部分氟化的F15C18-PA因平衡了氟含量与分子排列有序度，展现出最佳综合性能，为高迁移率有机电子器件设计提供了新范式。

4 实验方法

研究采用原子层沉积（ALD）制备60 nm厚Al₂O₃介电层，通过溶液法构建三种PA-SAMs界面。Ph-BTBT-10薄膜通过真空蒸镀沉积，顶接触金电极采用掩模蒸镀成型。器件表征结合X射线衍射（XRD）、开尔文探针力显微镜（KPFM）和变通道长度电学测试，系统性揭示了界面工程对器件性能的影响规律。