Materials Studio在有机场效应晶体管(OFET)中的解决方案

方案概述

分子模拟在有机场效晶体管设计研究中的重要意义

有机场效应晶体管(OFET)凭借其优越的性能以及稳定性被广泛应用新架构场效晶体管(FET)器件以及柔性有机晶体管(OTFT)电路。聚合物是OFET电子元件的基础。而利用计算机建模方法对材料进行分子模拟计算，可以在纳米层级定制它们的结构并研究理解其微观机理。通过先进的分子模拟软件平台——Materials Studio，可以帮助用户已最快的方式就是通过分子模拟进行设计和实验。分子模拟正在通过加快新材料的开发速度来重塑现实世界。

Materials Stuio多尺度多功能分子模拟平台简介

Materials Studio 是全尺度材料模拟平台。包含量子力学方法、分子力学动力学方法、介观分子动力学方法。它不仅拥有优秀的操作界面模块Visualizer，能够便捷实现模型搭建、参数设定以及结果的可视化分析，而且融合多种模拟方法，整合多达 24 个功能模块，实现从电子结构解析到宏观性能预测的全尺度科学研究。

迄今为止，全球各地科学家使用 Materials Studio 发表了多达50000篇论 ，论 可见于包括像 Nature、 Science、 Nature、Materials、 Nature Chemistry、 PNAS 、 Progress in Surface Science 、 ACS Nano、 Small、 Physical Review Letters、Nanotechnology、 J. Am. Chem. Soc.、 Nanoscale Research Letters、 Nanoscale 等顶级知名期刊。您可以通过下面的链接查询到您感兴趣的方向中使用 Materials Studio 中相应模块所做的工作。

相关 献查询链接：https://references.accelrys.com/

MS在场效晶体管研究中应用实例分享

1、调控OFET器件存储性能

2、调控OFET掺杂改性性能

3、理解光敏OFET气体传感器机理

4、解释新型OFET器件传导机制

5、理解OFET缺陷相变动力学过程

6、预测新型OFET结构

7、预测新型OFET晶体生长形貌

案例详情

1、调控OFET器件存储性能

案例1：高性能芳香族氨基化合物非易失性OFET存储器件性能调控

模块：DMol3

源自：Small, 2018, 14(25): 1800756.

图1：OFET存储设备示意图及化学结构

图2：并五苯和储电材料的能量图 (a)DFT计算得到，(b)通过紫外可见和CV测得

表1 DMol3计算的在有/无电场下的HOMO-LUMO以及电荷转移

图3：并五苯层与存储层@SiO2结构模型

图4：PDOS不带并五苯分子的电场位于a) PyPN，c)PN和e)DPN的电荷存储层上，b) PyPN，d)上的电场为0.229 V nm -1 PN，以及f) DPN。费米能级设置为零，并用灰色虚线表示。

使用模块简介：

DMol3是由Bernard Delley教授发布的一款基于密度泛函理论的原子轨道线性组合量子力学程序。DMol3最重要的特点是采用数值函数描述原子轨道，兼顾了计算精度和效率。除了可以预测材料的电子学、光学、热力学性能。输运性质外，它还能够细致地研究气相、溶液、表面及其它固态环境中的化学反应， 适合解决化学、化工、生物、材料、 物理等领域中的各类问题，尤其是化学反应机理及催化剂设计的问题。研究对象涉及晶体材料、有机分子、团簇、纳米和多孔材料、生物分子等各种周期性及非周期性体系。

2、调控OFET掺杂改性性能

案例2：十甲基钴茂铁对半导体富集的单壁碳纳米管实现可逆电子掺杂

模块：DMol3

源自：Sci Rep 7, 6751 (2017)

单壁碳纳米管(SWCNT)具有优异的电学性能，在场效应晶体管(FET)和集成电路(IC)应用方面具有巨大的潜力。但在空气中制成的SWCNT-FET通常为p型，要实现n型SWCNT器件仍具有挑战性。

图1：(a)SWCNT的俯视图。(b)SWCNT-DMC系统的示意图，其中DMC分子与SWCNT对齐以模拟DMC的n掺杂效应。(c)SWCNT在DMC n掺杂前后的电子能带结构。

图2：s-SWCNT和DMC氧化还原态的能带图显示了从较高电子能级材料(DMC)到较低材料(s-SWCNTs)的电子转移过程，这引起了表面电荷转移引起的n型掺杂。

使用模块简介：

DMol3是由Bernard Delley教授发布的一款基于密度泛函理论的原子轨道线性组合量子力学程序。DMol3最重要的特点是采用数值函数描述原子轨道，兼顾了计算精度和效率。除了可以预测材料的电子学、光学、热力学性能。输运性质外，它还能够细致地研究气相、溶液、表面及其它固态环境中的化学反应， 适合解决化学、化工、生物、材料、 物理等领域中的各类问题，尤其是化学反应机理及催化剂设计的问题。研究对象涉及晶体材料、有机分子、团簇、纳米和多孔材料、生物分子等各种周期性及非周期性体系。

3、设计新型光敏OFET气体传感器

案例3：紫外光增强ZnO纳米薄膜气体传感器灵敏度的机理

模块：CASTEP

源自：ACS Sens. 2019, 4, 6, 1577-1585

图1: (a)ZnO，(b，c)吸附有O2的ZnO和(d，e)吸附有NO2的ZnO的优化几何构型。

图a，b，d是垂直于ZnO(100)表面的截面图，而c和e是俯视图，仅显示了ZnO的顶部原子。

图f，g分别计算了DOS(自由的ZnO(100)表面，带有吸附物的ZnO表面)和吸附物的PDOS(O2和NO2)。表面态用阴影区表示。

表1 在不同情况下的表面态密度，载流子浓度，表面带弯曲和灵敏度

由表1可知，在黑暗中，O2的吸附会导致整个ZnO纳米膜耗尽，其特征为载流子浓度降低。ZnO纳米膜上NO2的进一步吸附对表面态密度，载流子浓度和表面能带弯曲没有影响。因此，ZnO纳米膜的气体敏感性非常低。

在空气中经UV照射会导致吸附的O2解吸，载流子浓度急剧增加，敏感性提升了6个数量级。而在NO2的情况2和UV照射下，NO2的吸附导致表面态密度增加，载流子浓度降低。

通过CASTEP模拟计算得到在黑暗和紫外光照射下的ZnO纳米膜的气体灵敏度，与实验结果达成了良好的一致性。紫外光照射增强传感器的灵敏度是由于表面态密度和表面带弯曲的变化。在黑暗中，引入NO2不会导致灵敏度降低。结合以上这些因素，紫外线照射提高了传感器灵敏度。这一重要发现为开发高灵敏度的OFET气体传感器做出巨大贡献。

涉及模块简介：

CASTEP 是由剑桥凝聚态理论研究组开发的一款基于密度泛函理论的平面波赝势量子力学程序。适于解决固体物理，材料科学、化学以及化工等领域中的各类问题。目前，CASTEP可以对半导体、陶瓷、金属、分子筛等各类晶体材料以及掺杂、位错、界面、表面等各种缺陷结构进行几何优化，过渡态和反应速率，电子结构解析，介电性质，力学性质，热力学性质，光学性质，动力学等计算。

4、理解OFET器件传导机制

案例4：无定形聚乙烯中的电子迁移率边界(electron mobility edge)研究

模块：ONETEP，Amorphous Cell，Forcite Plus

源自：IEEE, 2016, 2: 828-831.

图1：带隙、迁移率间隙和迁移率边界的图示。(此处忽略带隙中可能存在的杂质态)

利用Amorphous Cell模块中的蒙特卡洛方法搭建初始密度略大于实验值的乙烯模型，利用Forcite Plus中的pcff力场在300K下进行NVT系综的弛豫得到稳定低能的无定型乙烯模型。如图2中所示，对于结构进行弛豫优化会显著改变结构的电子在最低未占据轨道(LUMO)上的迁移，也就是会改变导带边缘电子态。

图2：附加弛豫之前(左)和之后(右)的聚乙烯模型中的LUMO

图3：价带和导带的电子态。顶部:LUMO+7(左)和LUMO+14(右)， 格占有率分别为0.15和0.24。底部:HOMO-21(左)和HOMO-117(右)， 格占有率分别为0.09和0.15。

涉及模块简介：

? Amorphous Cell 模块是一个采用蒙特卡洛方法搭建无定形模型的工具。它可用于搭建具有多种组分及不同配比的高分子共混模型、溶液模型、复合材料模型、固液 / 固气界面模型、孔道填充模型、向列型液晶模型等，对塑料、玻璃、食品、化工以及复合材料等领域的模拟工作具有重要的辅助作用。

? Forcite Plus 是一款分子力学和分子动力学模拟程序。它可以对分子、表面或三维周期性材料体系进行快速的能量计算、几何优化以及各种系综下的动力学模拟研究，可以分析材料体系的各种结构参数、热力学性质、力学性质、动力学性质以及统计学性质。主要应用于有机、无机小分子、有机金属络合物、高分子聚合物、纳米及多孔材料、部分金属、金属氧化物晶体及晶体表界面结构的研究。

? ONETEP 是由剑桥凝聚态理论研究组开发的一款专门针对大体系(>500 原子)研究的线性标度量子力学程序。其应用范围主要包括表面化学、大分子体系(蛋白质、DNA、抗体)及其它复合材料、纳米材料以及半导体、陶瓷材料缺陷等。

5、理解OFET缺陷相变动力学转变过程

案例5：触发石墨烯zigzag边缘缺陷一维相变

模块：DMol3，DFTB+

源自：Nano Lett. 2016, 16, 2, 1244-1249

图1：(a)zigzag石墨烯重构边缘的TEM图像。(b)用DFT计算出57型边缘的原子结构叠加在TEM图像上。插图展示了57型和75型边的定义。(c)之字形边缘的TEM图像。(d)用DFT计算的66个边缘结构叠加的模拟TEM图像。

涉及模块简介：

DFTB+是一款融合了密度泛函方法 (DFT) 准确性和紧束缚方法 (Tight Binding) 高效性的半经验量子力学程序，可以对数千个原子的大体系进行模拟研究，相比传统量化计算可以节约大量时间和计算资源。所涉及的研究对象包括有机分子、团簇、绝缘体、半导体、金属，甚至是生物大分子等各类非周期性和周期性体系。为解决电子、催化、化工等领域中各种复杂体系及复杂过程的相关问题提供一种新方法。

图2 (a)31 s内一个石墨烯之字形边缘转换的TEM图像序列。七边形和五边形被编号。红色三角形用于标记由电子束产生的缺陷。(b–f)QM / MD模拟显示与TEM测量中观察到发生了相同的转变。(g)通过TEM实验测量的边缘状态与时间的关系。

6、预测新型N型OFET晶体结构

案例6：基于氟化石墨烯的N型场效应晶体管设计

模块：Reflex Plus

源自：Organic Electronics 9 (2008) 328–332

图1为HBC和6F-HBC的分子组装图。6F-HBC是面对面的结构，而HBC是人字形结构。氟原子所具有的大范德瓦尔斯半径使得晶体结构从人字形变为面对面。面对面的π键堆叠结构能够提供更有效的轨道重叠便于载流子传输。因此，具有6F-HBC晶体结构的n型半导体OFET更有利于载流子的传输。

图1：分子组装图 (a) HBC 和 (b) 6F-HBC

涉及模块介绍：

Reflex Plus是一个由材料粉晶 X 射线、同步辐射 X 射线、中子或者电子衍射图谱获取其晶体结构、结晶度的工具包。可以进行衍射模拟，衍射图像处理，指标化，结构精修，结晶度计算。模块中还包含有Powder Solve，是一个基于蒙特卡洛模拟退火法或者平行回火法，堆积得到材料晶体结构的工具。它可以在材料密度、化学式、晶胞参数、空间群已经确认的基础上，得到原子各种可能的堆积排列方式，并依据其衍射图谱与实测衍射图谱的差异(剩余方差因子)，对各种堆积方式进行筛选。并且Powder Solve可以为进一步的Rietveld修正提供初始结构，适于全新晶体结构的研究。

7、预测新型太阳能电池OFET晶体生长形貌

案例7：预测单晶微丝p-DTS(FBTTh2)2制造OFET的晶体生长形貌

模块：Morphology，COMPASS

源自：Advanced Functional Materials, 2018, 28(4): 1702073.

通过自组装方法在溶液中制备出的有机半导体的单晶微线——p-DTS(FBTTh2)2，可应用于有机太阳能电池。单晶中高水平的分子间组织促进了电荷在薄膜中的迁移，并提供了对p‐DTS(FBTTh2)2本征电荷传输机理。这些微线具有光响应电特性，可以用作光开关，开关比超过1000。

图1：(a) TEM图像 (b) 选区电子衍射SAED图谱

p-DTS(FBTTh2)2中体异质结层会形成多晶形态，其结构和成分非常复杂，其中电荷传输受到晶界的限制)，要获得其原子层级的信息非常困难。在图1-a,b的透射电子显微镜(TEM)图像和选区电子衍射(SAED)图谱可以看出晶体优先沿[100]方向生长。p‐DTS(FBTTh2)2微丝的X射线衍射(XRD)图谱(图2)进一步证实了微丝优先沿(100)晶面生长。

图2：红线为p‐DTS(FBTTh2)2的XRD图谱

图3：使用Morphology预测的p‐DTS(FBTTh2)2微丝的晶体生长方向

涉及模块简介：

? Morphology 是一个通过材料晶体结构预测其晶粒形貌的工具。它可对特定添加剂、溶剂以及杂质存在下的晶体形貌研究提供帮助。其主要应用领域包括医药品、农用化学品、食品科学、石油化工、水泥、日用品以及特殊化学品等。

? COMPASS 是一个功能强大的，基于量子力学方法，并且能够对凝聚态体系进行原子尺度模拟研究的力场。对其参数有效性的考察，不仅包括了单分子 ( 气态 ) 的量子力学计算结果以及实验结果，还充分考虑了其凝聚态性能。因此，COMPASS可在一个很大的温度、压力范围内，精确地预测多种单分子及其凝聚态的结构、构象、振动及热物理性质。

往期MS 解决方案&近期线下培训课程请关注“创腾科技”微信订阅号get!