REVIEWS

Recent Progress in Ambipolar Organic Field-Effect Transistors Based on Organic Semiconductor Bilayer

  • Min Li ,
  • Aifeng Lv
Expand
  • School of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620
* Corresponding author. E-mail:

Received date: 2021-07-06

  Revised date: 2021-08-25

  Online published: 2021-09-08

Supported by

National Natural Science Foundation of China(51803118)

Abstract

Complementary circuits made of ambipolar organic field-effect transistors (OFETs) have the advantages of low signal to noise ratio, low operation voltage, low power consumption, and so on. Up to now, only a few ambipolar organic semiconductors with balanced hole and electron mobilities have been reported, which is one of the key requirements for high performance complementary circuits. There are thousands of high performance unipolar organic semiconductors. The conducting channels based on both an n-type and a p-type organic semiconductors, which have matched mobilities, will be an effective way to build a high performance ambipolar OFETs. In this review, the key requirements, the electrical properties, and factors correlating with the performance of ambipolar OFETs based on organic bilayer are reported.

Cite this article

Min Li , Aifeng Lv . Recent Progress in Ambipolar Organic Field-Effect Transistors Based on Organic Semiconductor Bilayer[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2022 , 42(1) : 54 -66 . DOI: 10.6023/cjoc202107016

References

[1]
(a) Sun, S.; Li, Y.; Zhang, S. Chin. Phys. B 2020, 29, 058503.
[1]
(b) Jo, I. Y.; Park, J.-G.; Moon, J.-H.; Jung, J. Y.; Kim, D. E.; Baeg, K.-J. Org. Electron. 2019, 75, 105358.
[1]
(c) Kwon, H.; Yoo, H.; Nakano, M.; Takimiya, K.; Kim, J.-J.; Kim, J. K. RSC Adv. 2020, 10, 1910.
[1]
(d) Wang, L.; Wang, C.; Yu, X.; Zheng, L.; Zhang, X.; Hu, W. Sci. China Mater. 2020, 63, 122.
[1]
(e) Zhou, X.; Wang, Z.; Song, R. X.; Zhang, Y. D.; Zhu, L. A.; Xue, D.; Huang, L. Z.; Chi, L. F. J. Mater. Chem. C 2021, 9, 1584.
[1]
(f) Becharguia, H.; Mahdouani, M.; Bourguiga, R. Eur. Phys. J.-Appl. Phys. 2021, 93, 10.
[1]
(g) Wan, Y. J.; Deng, J.; Wu, W. L.; Zhou, J. D.; Niu, Q.; Li, H. Y.; Yu, H. K.; Gu, C.; Ma, Y. G. ACS Appl. Mater. Inter. 2020, 12, 43976.
[2]
(a) Sonar, P.; Singh, S. P.; Li, Y.; Soh, M. S.; Dodabalapur, A. Adv. Mater. 2010, 22, 5409.
[2]
(b) Yuen, J. D.; Fan, J.; Seifter, J.; Lim, B.; Hufschmid, R.; Heeger, A. J.; Wudl, F. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 20799.
[2]
(c) Chen, Z.; Lee, M. J.; Shahid Ashraf, R.; Gu, Y.; Albert-Seifried, S.; Meedom Nielsen, M.; Schroeder, B.; Anthopoulos, T. D.; Heeney, M.; McCulloch, I.; Sirringhaus, H. Adv. Mater. 2012, 24, 647.
[2]
(d) Lee, J.; Han, A. R.; Kim, J.; Kim, Y.; Oh, J. H.; Yang, C. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20713.
[2]
(e) Fan, J.; Yuen, J. D.; Wang, M.; Seifter, J.; Seo, J.-H.; Mohebbi, A. R.; Zakhidov, D.; Heeger, A.; Wudl, F. Adv. Mater. 2012, 24, 2186.
[3]
(a) Jiang, L.; Dong, H.; Hu, W. J. Mater. Chem. 2010, 20, 4994.
[3]
(b) Dong, H.; Fu, X.; Liu, J.; Wang, Z.; Hu, W. Adv. Mater. 2013, 25, 6158.
[3]
(c) Gao, X.; Zhao, Z. Sci. China Chem. 2015, 58, 947.
[3]
(d) Anthony, J. E.; Facchetti, A.; Heeney, M.; Marder, S. R.; Zhan, X. Adv. Mater. 2010, 22, 3876.
[3]
(e) Wang, C.; Dong, H.; Hu, W.; Liu, Y.; Zhu, D. Chem. Rev. 2012, 112, 2208.
[3]
(f) Barłóg, M.; Zhang, X.; Kulai, I.; Yang, D. S.; Sredojevic, D. N.; Sil, A.; Ji, X.; Salih, K. S. M.; Bazzi, H. S.; Bronstein, H.; Fang, L.; Kim, J.; Marks, T. J.; Guo, X.; Al-Hashimi, M. Chem. Mater. 2019, 31, 9488.
[4]
Sun, B.; Hong, W.; Aziz, H.; Li, Y. Polym. Chem. 2015, 6, 938.
[5]
(a) Lv, A.; Li, Y.; Yue, W.; Jiang, L.; Dong, H.; Zhao, G.; Meng, Q.; Jiang, W.; He, Y.; Li, Z.; Wang, Z.; Hu, W. Chem. Commun. 2012, 48, 5154.
[5]
(b) Lv, A.; Freitag, M.; Chepiga, K. M.; Schäfer, A. H.; Glorius, F.; Chi, L. Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 4792.
[5]
(c) Lv, A.; Stolte, M.; Würthner, F. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 127, 10658.
[5]
(d) Wen, J.; Xiao, C.; Lv, A.; Hayashi, H.; Zhang, L. Chem. Commun. 2018, 54, 5542.
[5]
(e) Luo, Y.; Yao, L.; Gu, W.; Xiao, C.; Liao, H.; Ravva, M. K.; Wang, Y.; Li, Z.; Zhang, L.; Lv, A.; Yue, W. Org. Electron. 2020, 85, 105895.
[5]
(f) Warren, P. R.; Hardigree, J. F. M.; Lauritzen, A. E.; Nelson, J.; Riede, M. AIP Adv. 2019, 9, 035202.
[5]
(g) Torres-Moya, I.; Carrillo, J. R.; Gomez, M. V.; Velders, A. H.; Donoso, B.; Rodriguez, A. M.; Diaz-Ortiz, A.; Navarrete, J. T. L.; Ortiz, R. P.; Prieto, P. Dyes Pigm. 2021, 191, 14.
[5]
(h) Nam, S.; Khim, D.; Martinez, G. T.; Varambhia, A.; Nellist, P. D.; Kim, Y.; Anthopoulos, T. D.; Bradley, D. D. C. Adv. Mater. 2021, 33, 2100421.
[6]
Dodabalapur, A.; Katz, H. E.; Torsi, L.; Haddon, R. C. Science 1995, 269, 1560.
[7]
(a) Shi, J. W.; Wang, H. B.; Song, D.; Tian, H. K.; Geng, Y. H.; Yan, D. H. Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 397.
[7]
(b) An, M.-J.; Seo, H.-S.; Zhang, Y.; Oh, J.-D.; Choi, J.-H. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 023506.
[8]
(a) Zaumseil, J.; Sirringhaus, H. Chem. Rev. 2007, 107, 1296.
[8]
(b) Chua, L.-L.; Zaumseil, J.; Chang, J.-F.; Ou, E. C. W.; Ho, P. K. H.; Sirringhaus, H.; Friend, R. H. Nature 2005, 434, 194.
[8]
(c) Cornil, J.; Brédas, J. L.; Zaumseil, J.; Sirringhaus, H. Adv. Mater. 2007, 19, 1791.
[8]
(d) Yang, C.-Y.; Dhananjay; Cheng, S.-S.; Ou, C.-W.; Chuang, Y.-C.; Wu, M.-C.; Chu, C.-W. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 253307.
[8]
(e) Yoon, M.-H.; Kim, C.; Facchetti, A.; Marks, T. J. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 12851.
[8]
(f) Seo, J. H.; Chang, G. S.; Wilks, R. G.; Whang, C. N.; Chae, K. H.; Cho, S.; Yoo, K.-H.; Moewes, A. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 16266.
[9]
(a) Dodabalapur, A.; Katz, H. E.; Torsi, L.; Haddon, R. C. Appl. Phys. Lett. 1996, 68, 1108.
[9]
(b) Rost, C.; Gundlach, D. J.; Karg, S.; Rieß, W. J. Appl. Phys. 2004, 95, 5782.
[9]
(c) Wang, J.; Wang, H.; Yan, X.; Huang, H.; Yan, D. Chem. Phys. Lett. 2005, 407, 87.
[10]
Obaidulla, S. M.; Giri, P. K. J. Mater. Chem. C 2015, 3, 7118.
[11]
(a) Kim, D.-K.; Oh, J.-D.; Shin, E.-S.; Seo, H.-S.; Choi, J.-H. J. Appl. Phys. 2014, 115, 164503.
[11]
(b) Kang, S. J.; Yi, Y.; Kim, C. Y.; Cho, K.; Seo, J. H.; Noh, M.; Jeong, K.; Yoo, K.-H.; Whang, C. N. Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 233502.
[12]
(a) Ye, R.; Baba, M.; Oishi, Y.; Mori, K.; Suzuki, K. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 253505.
[12]
(b) Ye, R.; Baba, M.; Suzuki, K.; Mori, K. Appl. Surf. Sci. 2008, 254, 7885.
[13]
Hu, Y.; Zhang, N.; Lin, J.; Qin, L.; Liu, X. Appl. Phys. Express 2012, 5, 095601.
[14]
Zhu, X.; Zhang, Y.; Ren, X.; Yao, J.; Guo, S.; Zhang, L.; Wang, D.; Wang, G.; Zhang, X.; Li, R.; Hu, W. Small 2019, 15, 1902187.
[15]
Yan, Y.; Sun, Q.-J.; Gao, X.; Deng, P.; Zhang, Q.; Wang, S.-D. Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 073303.
[16]
Imai, S.; Yanagi, H.; Hotta, S. Org. Electron. 2013, 14, 80.
[17]
Janasz, L.; Marszalek, T.; Zajaczkowski, W.; Borkowski, M.; Goldeman, W.; Kiersnowski, A.; Chlebosz, D.; Rogowski, J.; Blom, P.; Ulanski, J.; Pisula, W. J. Mater. Chem. C 2018, 6, 7830.
[18]
Yan, H.; Kagata, T.; Okuzaki, H. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 023305.
[19]
(a) Huang, S.; Peng, B.; Chan, P. K. L. Adv. Electron. Mater. 2017, 3, 1700268.
[19]
(b) Wei, Z.; Xu, W.; Hu, W.; Zhu, D. Langmuir 2009, 25, 3349.
[19]
(c) Kuwahara, E.; Kubozono, Y.; Hosokawa, T.; Nagano, T.; Masunari, K.; Fujiwara, A. Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 4765.
[20]
Di Girolamo, F. V.; Barra, M.; Chiarella, F.; Lettieri, S.; Salluzzo, M.; Cassinese, A. Phys. Rev. B 2012, 85, 125310.
[21]
Loi, M. A.; Rost-Bietsch, C.; Murgia, M.; Karg, S.; Riess, W.; Muccini, M. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 41.
[22]
(a) Lee, J.; Han, A. R.; Yu, H.; Shin, T. J.; Yang, C.; Oh, J. H. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9540.
[22]
(b) Sun, B.; Hong, W.; Yan, Z.; Aziz, H.; Li, Y. Adv. Mater. 2014, 26, 2636.
[22]
(c) Xiao, C.; Zhao, G.; Zhang, A.; Jiang, W.; Janssen, R. A. J.; Li, W.; Hu, W.; Wang, Z. Adv. Mater. 2015, 27, 4963.
[22]
(d) Gao, Y.; Zhang, X.; Tian, H.; Zhang, J.; Yan, D.; Geng, Y.; Wang, F. Adv. Mater. 2015, 27, 6753.
[22]
(e) Liu, J.; Liu, J.; Zhang, J.; Li, C.; Cui, Q.; Teng, F.; Li, H.; Jiang, L. J. Mater. Chem. C 2020, 8, 4303.
[23]
Xiong, N.; Xiao, P.; Li, M.; Xu, H.; Yao, R.; Wen, S.; Peng, J. Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 242102.
[24]
(a) Dimitrakopoulos, C. D.; Malenfant, P. R. L. Adv. Mater. 2002, 14, 99.
[24]
(b) Katz, H. E. Chem. Mater. 2004, 16, 4748.
[25]
Pal, B. N.; Trottman, P.; Sun, J.; Katz, H. E. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 1832.
[26]
Yang, C.; Kwack, Y.; Kim, S. H.; An, T. K.; Hong, K.; Nam, S.; Park, M.; Choi, W.-S.; Park, C. E. Org. Electron. 2011, 12, 411.
[27]
(a) Koo, J. B.; Ku, C. H.; Lim, S. C.; Kim, S. H.; Lee, J. H. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 133503.
[27]
(b) Kim, S. H.; Jang, J.; Jeon, H.; Yun, W. M.; Nam, S.; Park, C. E. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 183306.
[28]
Nakanotani, H.; Yahiro, M.; Adachi, C.; Yano, K. Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 262104.
[29]
Sun, S.; Lan, L.; Li, Y.; Ning, H.; Yao, R.; Wang, L.; Peng, J. RSC Adv. 2017, 7, 5966.
[30]
(a) Singh, T. B.; Senkarabacak, P.; Sariciftci, N. S.; Tanda, A.; Lackner, C.; Hagelauer, R.; Horowitz, G. Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 033512.
[30]
(b) An, M.-J.; Seo, H.-S.; Zhang, Y.; Oh, J.-D.; Choi, J.-H. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 023506.
[30]
(c) Oh, J.-D.; Kim, J.-W.; Kim, D.-K.; Choi, J.-H. Org. Electron. 2016, 30, 131.
[31]
He, X. X.; Chow, W.; Liu, F. C.; Tay, B.; Liu, Z. Small 2017, 13, 1602558.
[32]
Smith, J.; Bashir, A.; Adamopoulos, G.; Anthony, J. E.; Bradley, D. D. C.; Heeney, M.; McCulloch, I.; Anthopoulos, T. D. Adv. Mater. 2010, 22, 3598.
[33]
Li, M.; Wang, J.; Cai, X.; Liu, F.; Li, X.; Wang, L.; Liao, L.; Jiang, C. Adv. Electron. Mater. 2018, 4, 1800211.
[34]
Zhou, Y.; Han, S.-T.; Zhou, L.; Yan, Y.; Huang, L.-B.; Huang, J.; Roy, V. A. L. J. Mater. Chem. C 2013, 1, 7073.
[35]
Sun, S.; Li, Y.; Lan, L.; Xiao, P.; Chen, Z.; Lin, Z.; Chen, J.; Peng, J.; Cao, Y. Org. Electron. 2017, 43, 162.
[36]
Wei, Z.; Xu, W.; Hu, W.; Zhu, D. J. Mater. Chem. 2008, 18, 2420.
[37]
Tang, Q.; Tong, Y.; Li, H.; Ji, Z.; Li, L.; Hu, W.; Liu, Y.; Zhu, D. Adv. Mater. 2008, 20, 1511.
[38]
Lu, C.; Wang, J.; Chang, H.-C.; Chiu, Y.-C.; Chen, H.-Y.; Wu, H.-C.; Higashihara, T.; Chen, W.-C. J. Mater. Chem. C 2014, 2, 7489.
[39]
Zhang, X.; Mao, J.; Deng, W.; Xu, X.; Huang, L.; Zhang, X.; Lee, S.-T.; Jie, J. Adv. Mater. 2018, 30, 1800187.
[40]
Zhang, Y.; Liu, J.; Nguyen, T.-Q. ACS Appl. Mater. Inter. 2013, 5, 2347.
[41]
Szendrei, K.; Jarzab, D.; Chen, Z.; Facchetti, A.; Loi, M. A. J. Mater. Chem. 2010, 20, 1317.
[42]
Meijer, E. J.; de Leeuw, D. M.; Setayesh, S.; van Veenendaal, E.; Huisman, B. H.; Blom, P. W. M.; Hummelen, J. C.; Scherf, U.; Klapwijk, T. M. Nat. Mater. 2003, 2, 678.
[43]
Rost, C.; Karg, S.; Riess, W.; Loi, M. A.; Murgia, M.; Muccini, M. Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 1613.
[44]
(a) Tandy, K.; Dutta, G. K.; Zhang, Y.; Venkatramaiah, N.; Aljada, M.; Burn, P. L.; Meredith, P.; Namdas, E. B.; Patil, S. Org. Electron. 2012, 13, 1981.
[44]
(b) Lee, H.-S.; Lee, J. S.; Cho, S.; Kim, H.; Kwak, K.-W.; Yoon, Y.; Son, S. K.; Kim, H.; Ko, M. J.; Lee, D.-K.; Kim, J. Y.; Park, S.; Choi, D. H.; Oh, S. Y.; Cho, J. H.; Kim, B. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 26204.
[44]
(c) Ribierre, J. C.; Ghosh, S.; Takaishi, K.; Muto, T.; Aoyama, T. J. Phys. D: Appl. Phys. 2011, 44, 205102.
[45]
Horlet, M.; Kraus, M.; Brütting, W.; Opitz, A. Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 233304.
[46]
(a) Schidleja, M.; Melzer, C.; Seggern, H. V. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 123307.
[46]
(b) Wang, Y.; Liu, D.; Ikeda, S.; Kumashiro, R.; Nouch, R.; Xu, Y.; Shang, H.; Ma, Y.; Tanigaki, K. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 033305.
[46]
(c) Schmechel, R.; Ahles, M.; Von Seggern, H. J. Appl. Phys. 2005, 98, 084511.
[46]
(d) Opitz, A.; Horlet, M.; Kiwull, M.; Wagner, J.; Kraus, M.; Brütting, W. Org. Electron. 2012, 13, 1614.
[47]
(a) Yoo, D.; Hasegawa, T.; Kohara, A.; Sugiyama, H.; Ashizawa, M.; Kawamoto, T.; Masunaga, H.; Hikima, T.; Ohta, N.; Uekusa, H.; Matsumoto, H.; Mori, T. Dyes Pigments 2020, 180, 108418.
[47]
(b) Opoku, H.; Bathula, C.; Mamo, M. D.; Shrestha, N. K.; Lee, T.; Noh, Y.-Y. Macromol. Res. 2019, 27, 90.
[47]
(c) Parka, S.; Leeb, B.; Baeb, B.; Chaib, J.; Leeb, S.; Kima, C. Synth. Met. 2019, 253, 40.
[48]
Long, D. X.; Noh, Y.-Y. J. Nanosci. Nanotechnol. 2017, 17, 5709.
[49]
Park, J.; Kim, M.; Yeom, S. W.; Ha, H. J.; Song, H.; Min Jhon, Y.; Kim, Y. H.; Ju, B. K. Nanotechnology 2016, 27, 225302.
[50]
(a) Khim, D.; Baeg, K.-J.; Kim, J.; Yeo, J.-S.; Kang, M.; Amegadzea, P. S. K.; Kim, M.-G.; Cho, J.; Lee, J. H.; Kim, D.-Y.; Noh, Y.-Y. J. Mater. Chem. 2012, 22, 16979.
[50]
(b) Baeg, K. J.; Kim, J.; Khim, D.; Caironi, M.; Kim, D. Y.; You, I. K.; Quinn, J. R.; Facchetti, A.; Noh, Y. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 3205.
[51]
(a) Xu, Y.; Baeg, K. J.; Park, W. T.; Cho, A.; Choi, E. Y.; Noh, Y. Y. ACS Appl. Mater. Inter. 2014, 6, 14493.
[51]
(b) Chen, H.; Guo, Y.; Mao, Z.; Yu, G.; Huang, J.; Zhao, Y.; Liu, Y. Chem. Mater. 2013, 25, 3589.
[52]
Ito, Y.; Virkar, A. A.; Mannsfeld, S.; Oh, J. H.; Toney, M.; Locklin, J.; Bao, Z. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9396.
[53]
Baeg, K. J.; Khim, D.; Jung, S. W.; Kang, M.; You, I. K.; Kim, D. Y.; Facchetti, A.; Noh, Y. Y. Adv. Mater. 2012, 24, 5433.
[54]
Kobayashi, S.; Nishikawa, T.; Takenobu, T.; Mori, S.; Shimoda, T.; Mitani, T.; Shimotani, H.; Yoshimoto, N.; Ogawa, S.; Iwasa, Y. Nat. Mater. 2004, 3, 317.
[55]
Ji, Y.; Xiao, C.; Heintges, G. H. L.; Wu, Y.; Janssen, R. A. J.; Zhang, D.; Hu, W.; Wang, Z.; Li, W. J. Polym. Sci. Polym. Chem. 2016, 54, 34.
[56]
Yang, J.; Zhao, Z.; Geng, H.; Cheng, C.; Chen, J.; Sun, Y.; Shi, L.; Yi, Y.; Shuai, Z.; Guo, Y.; Wang, S.; Liu, Y. Adv. Mater. 2017, 29, 1702115.
[57]
Lei, T.; Dou, J. H.; Cao, X. Y.; Wang, J. Y.; Pei, J. Adv. Mater. 2013, 25, 6589.
[58]
Kim, M.; Park, W.-T.; Park, S. A.; Park, C. W.; Ryu, S. U.; Lee, D. H.; Noh, Y.-Y.; Park, T. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1805994.
[59]
Di, C.; Liu, Y.; Yu, G.; Zhu, D. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1573.
[60]
(a) Nénon, S.; Kanehira, D.; Yoshimoto, N.; Fages, F.; Videlot-Ackermann, C. Synth. Met. 2011, 161, 1915.
[60]
(b) Wang, S. D.; Kanai, K.; Ouchi, Y.; Seki, K. Org. Electron. 2006, 7, 457.
[61]
(a) Zhao, G.; Cheng, X.-M.; Tian, H.-J.; Du, B.-Q.; Liang, X.-Y.; Wu, F. Acta Phys. Sin. 2012, 61, 218502.
[61]
(b) Morita, T.; Singh, V.; Oku, S.; Nagamatsu, S.; Takashima, W.; Hayase, S.; Kaneto, K. Jpn. J. Appl. Phys. 2010, 49, 041601.
[61]
(c) Sarkar, T.; Vinokur, J.; Shamieh, B.; Savikhin, V.; Toney, M. F.; Frey, G. L. Chem. Mater. 2019, 31, 7046.
[62]
Lee, G.; Kim, M.-H.; Noh, S.-P.; Keum, C.-M.; Lee, S.-D. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2014, 597, 8.
[63]
Lin, H.-W.; Lee, W.-Y.; Chen, W.-C. J. Mater. Chem. 2012, 22, 2120.
[64]
Lee, D. Y.; Tamilavan, V.; Shin, I.; Lee, J.; Jung, Y. K.; Jeong, J. H.; Cho, S.; Lee, B. R.; Park, S. H. Polym. J. 2020, 52, 581.
Outlines

/

〈 〉