胡文平研究员：为未来“明星材料”奠定科学基础

有机电视、电子纸、有机照明、有机太阳能电池……对普通人来说，“有机电子”的概念可能是陌生的，但它的应用已经进入了人们的视野。根据国际知名有机电子咨询公司IDTechEx的计算，在未来20年，有机电子器件有可能占据3000亿美元的市场份额，成为一个巨大的商业领域。

在有机电子学中，有机场效应晶体管是最基本的元件之一，也是有机电路的基础和核心。对于化学家来说，如何从结构与性能的关系出发设计和合成综合性能优异的有机场效应材料已经成为他们工作的重点。

多年来，中国科学院化学研究所的研究人员在有机场效应晶体管的基础物理化学方面开展了大量卓有成效的工作，为这种未来“明星材料”的发展奠定了科学基础。今年，这些作品获得了2016年国家自然科学奖的二等奖。

有机场效应材料的发展

有机材料被广泛用作绝缘材料，因为它们被认为不具有导电性能。直到20世纪70年代，美国科学家艾伦·杰·希格和其他人发现掺杂聚乙炔分子可以将它们变成良导体，这引发了有机功能材料的革命。

有机场效应晶体管是有机功能材料的应用之一。像其他场效应晶体管一样，有机场效应晶体管的原理是通过控制输入环路的电场效应来控制输出环路电流。不同之处在于它使用有机半导体材料作为“载流子”传输层来携带电荷。提高流动性是该领域科学家追求的共同目标。

自1996年以来，中国科学院化学研究所的胡文平一直从事有机场效应晶体管的研究。"我们根据结构和能量来设计分子."胡文平告诉《中国科学》的记者。原则上，分子堆积有利于快速电荷转移和高迁移率，但分子间排斥使分子堆积困难。

通过一系列研究，项目组发现“分子二维平面砖堆积”可以有效突破这一矛盾。例如，胡文平和他的同事发现α相钛氧基酞菁(TiOPc)分子具有金字塔形状的特殊结构，可以形成良好的“二维平面砖块堆积”，其迁移率高达10 cm2-1s-1。这是当时具有最高迁移率和最佳性能的场效应材料。

发展有机微纳晶体电子学

在科学家看来，有机晶体肩负着正确评估半导体材料并揭示其内在特性的使命。然而，由于生长困难，有机晶体难以生产器件。因此，有机半导体的构效关系研究是有机电子学的一个长期挑战。然而，有机微纳晶体生长迅速，可以有效克服有机晶体生长的挑战，实现材料的高效表征。

“有机晶体和微纳器件的有机结合可以建立和发展新的学科。”胡文平指出。多年来，他带领项目组对有机微纳晶体进行了大量的相关研究。项目组从分子结构和分子间作用力出发，通过调节界面能和晶面能等生长参数，发明了“物理气相外延”等方法来生长规则的有机微纳晶体，从而完善了生长理论。

与此同时，研究人员通过“微纳线模板法”制备了场效应晶体管，实现了利用有机微纳晶体高效揭示材料的内在特性和构建高性能器件的目标。英国皇家学会院士、剑桥大学卡文迪什实验室教授亨宁·希尔林豪斯、美国工程院院士、斯坦福大学教授包振安、马克斯·普朗克聚合物研究所前所长克劳斯·穆伦等业界专家对这项工作给予了高度评价，指出“这是第一个基于有机微纳晶体的场效应晶体管，是迁移率最高、性能最好的单线晶体管，是未来光电集成的关键部件，是后硅计算机时代的希望”。

培养优秀人才

对胡文平来说，探索之路并没有就此止步。截至2012年12月，世界上有57种迁移率超过或接近非晶硅的有机半导体材料，胡文平及其合作者报告了15种。

然而，在胡文平看来，对有机场效应晶体管的长期研究不仅取得了学术成果。"我们在研究中培养了大量优秀人才."他指出。例如，项目组部分学生多次获得“中国科学院院长特别奖”，部分博士生在学位论文方面还获得“中国科学院优秀博士论文”、“北京市优秀博士论文”和“全国优秀博士论文”。

目前，胡文平研究团队中有15人已经成为教授。"他们是我们有机电子学研究的骨干和支柱."胡文平说。