日本产业研究所：咖啡酸能增强半导体器件流通电流高达100倍

日本产业技术综合研究所——Yukinori Akaike，高级研究员，纳米材料研究所，国家先进工业科学技术研究所 (AIST)；Takuy​​a Hosogai，研究组，纳米材料结构分析研究组，材料测量标准研究所；Yoichi Yamada 副教授，筑波大学理论与应用科学学院教授于 2022 年 12 月宣布，他发现在有机半导体器件的电极表面形成一层薄薄的咖啡酸可使流过该器件的电流增加多达 100 倍，通过使用生物质衍生材料，可以大大减少处理设备时对环境的影响。

有机半导体器件具有柔软、重量轻、制造成本相对低廉等特点，被用于显示器、各种传感器、IC标签等领域，预计今后的需求量将持续扩大。因此，在材料和制造工艺方面的研究正在取得进展，以进一步提高性能并减少处理用过的设备时的环境负担。

为提高有机半导体器件的性能，需要提高有机半导体与电极结界面的电荷转移效率。因此，在键合界面上设置电极修饰层以促进电流流动。增加这个称为功函数的值会促进电荷从电极注入有机半导体。然而，过去，电极修饰层采用导电聚合物和过渡金属氧化物薄膜，这在器件处置时存在环境影响问题。

这一次，研究小组专注于植物产生的一组称为苯丙素的物质。苯丙烷是一种具有去除活性氧功能（抗氧化作用）的物质。其中一些分子具有超过 4 德拜的永久偶极矩。其中之一是咖啡酸，它是咖啡中所含的一种成分，具有羧基（-COOH）和儿茶酚基与亚乙烯基（-CH=CH-）键合的结构。

课题组以咖啡酸为研究对象，采用真空蒸镀法在金电极上形成了咖啡酸薄膜层。通过开尔文探针法测量电极的功函数，结果确认由于咖啡酸的作用，功函数增加了约0.5eV。发现即使电极是银、铜、铁或ITO（氧化铟锡），功函数也会增加。当通过旋涂形成薄膜层时获得了类似的效果。

该研究小组使用红外反射吸收光谱来研究分子取向。从这个结果可以认为，由于咖啡酸分子的自发排列，电极表面的电势发生变化，这增加了功函数。他们分析这是因为“邻苯二酚基团优先吸附到电极表面”。

左图：当咖啡酸真空沉积在各种电极上时，功函数随膜厚度的变化。右图：根据红外反射吸收光谱预测的分子取向  来源：AIST

此外，实验结果表明，咖啡酸薄膜层不溶于氯仿和氯苯等有机溶剂。然后，将溶解在氯苯中的聚（3-己基噻吩）（P3HT）旋涂在涂有咖啡酸的 ITO 基板上，以制造使用铝作为顶部电极的有机半导体器件。通过插入咖啡酸层，与没有咖啡酸层的情况相比，流过有机半导体器件的电流增加了 100 倍。

左边是制作好的P3HT器件的结构，右边是插入咖啡酸层后电流密度-电压特性的变化 来源：AIST