有機電視、電子紙、有機照明、有機太陽能電池……對普通人而言，“有機電子學”的概念可能是陌生的，但其應用已經走進了人們的視野。據國際知名有機電子咨詢機構IDTechEx計算，有機電子器件在未來的20年里，有可能占據3000億美元的市場份額，成為一個龐大的商業領域。
在有機電子學中，有機場效應晶體管是最基本的元器件之一，也是有機電路的基礎和核心。對于化學家而言，如何從結構和性能的關系出發，設計、合成綜合性能優異的有機場效應材料等科學問題，已經成為他們工作的重心。
多年來，中國科學院化學研究所科研人員圍繞有機場效應晶體管基本的物理化學問題開展了多項卓有成效的工作，為這一未來“明星材料”的發展奠定了科學基礎。今年，這些工作榮獲了2016年度國家自然科學獎二等獎。
發展有機場效應材料
因為被認為不具有導電性質，有機材料一直被廣泛用作絕緣材料。直到二十世紀七十年代以來，美國科學家艾倫·黑格（Alan J.Heeger）等人發現，對聚乙炔分子進行摻雜能將其變成良好的導體，掀起了有機功能材料的革命。
有機場效應晶體管便是有機功能材料的應用之一。和其他場效應晶體管一樣，有機場效應晶體管的原理也是利用控制輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流，不同之處則在于，其利用有機半導體材料充當運載電荷的“載流子”傳輸層。提高遷移率是研究這一領域科學家共同追求的目標。
1996年以來，中科院化學所胡文平開始從事有機場效應晶體管的研究。“我們從結構和能量出發設計分子。”胡文平告訴《中國科學報》記者。原理上，分子密堆有利于電荷快速傳輸，獲得高遷移率，但分子間斥力會讓分子密堆變得困難。
項目組通過系列研究，發現“分子二維平面磚狀堆積”能有效突破這一矛盾。例如，胡文平和同事們發現，α相酞菁氧鈦（TiOPc）分子具有金字塔形的特異結構，能夠形成良好的“二維平面磚狀堆積”，遷移率高達10 cm2V-1s-1。這在當時是遷移率最高、性能最好的場效應材料。
開拓有機微納晶電子學
在科學家們看來，有機晶體承擔著正確評價半導體材料、揭示材料本征性能的使命。然而，有機晶體因生長困難難以制備器件，所以，對有機半導體的構效關系研究是有機電子學面臨的長期挑戰。而有機微納晶生長快速，能有效克服有機晶體生長的挑戰、實現對材料的高效表征。
“將有機晶體與微納器件有機地結合起來，能夠建立和發展新的學科方向。”胡文平指出。多年來，他帶領項目組開展了有機微納晶的多項相關研究。項目組從分子結構、分子間作用力出發，通過界面能、晶面能等生長參數的調控，發明了“物理氣相外延”等方法生長規整的有機微納晶、完善了生長理論。
同時，研究人員通過“微納線模板法”，制備了場效應晶體管，實現了利用有機微納晶高效揭示材料本征性能、構筑高性能器件的目標。英國皇家學會院士、劍橋大學卡文迪許實驗室教授亨寧·西林豪斯(Henning Sirringhaus)，美國工程院院士、斯坦福大學教授鮑哲楠，馬普高分子所原所長克勞斯·慕樂（Klaus Muellen）等業內專家高度評價了這項工作，指出“這是第一個基于有機微納晶的場效應晶體管，是遷移率最高、性能最好的單根線晶體管，是未來光電子集成的關鍵元件，也是后硅基計算機時代的希望”。
培養優秀人才隊伍
對胡文平而言，探索之路沒有就此停止。截至2012年12月，全球有57種遷移率超過或接近無定型硅的有機半導體材料，胡文平及其合作者報道的就有15種。
不過，在胡文平看來，長期開展有機場效應晶體管研究的收獲并不僅是獲得學術成果。“我們在研究中，培養了大量優秀的人才。”他指出。例如，項目組有學生先后多次獲得“中科院院長特別獎”，也有博士生在學位論文方面榮獲“中國科學院優秀博士學位論文”、“北京市優秀博士學位論文”和“全國優秀博士學位論文”。
目前，胡文平的研究團隊中已經有15人成為教授。“他們都是我國有機電子學研究的骨干和中流砥柱。”胡文平表示。