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张发培课题组在有机半导体磁诱导生长和性能研究方面取得新进展
文章来源: 潘国兴 发布时间: 2020-08-25

  近期,中科院合肥物质科学研究院强磁场中心张发培研究团队提出了强磁场诱导有机材料生长的新策略,并成功实现了高性能半导体聚合物薄膜的结构调控并显著提高其电荷传输能力,相关的系列研究成果分别发表在国际期刊ACS Applied Materials & Interface, Journal of Materials Chemistry CApplied Physics Letters上。 

  有效控制有机半导体薄膜中分子取向和薄膜有序性,对实现高性能有机场效应晶体管(OFET)和太阳电池等器件具有关键性的作用。而发展高效、高普适性的溶液相成膜技术是实现这一目的的重要途径。利用磁场来诱导薄膜在宏观尺度上的分子取向,可作为一种直接、“干净”手段生长大面积取向的有机薄膜,近年来逐渐引起人们的重视。在之前的研究中,该课题组采用强磁场下溶液涂布方法,首次实现了多种晶态(和半晶态)半导体聚合物薄膜结构和载流子传输特性的有效控制,并提出了其薄膜的磁致取向生长机制(Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 5126)。然而这种方法制备的有机薄膜往往存在着形貌和厚度均匀性差、膜厚不可控等问题,严重影响薄膜器件的光电性能的可重复性。 

  针对这一问题,张发培研究团队首次提出了强磁场下的溶剂蒸汽退火(SVA-HMF)新策略。研究人员先通过溶液旋涂来沉积厚度均匀的“湿膜”,再将其置于含有饱和有机溶剂的密闭容器中、在强磁场下进行“退火”处理,成功地获得给体-受体(D-A)型共聚物P(NDI2OD-T2)薄膜的大面积(厘米尺度)、高度取向的薄膜织构。微结构表征发现,制备的聚合物薄膜不仅形貌和厚度均匀性得到极大的改善,聚合物骨架链取向程度和薄膜结晶性也显著地优于溶液涂布法制备的薄膜(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 29487)。通过研究SVA-HMF条件对薄膜结构和形貌的影响,提出了强磁诱导溶剂退火调控聚合物薄膜结构的动力学机制。通过制备OFET器件发现,以P(NDI2OD-T2)取向薄膜制备的器件迁移率各向异性高达102,其电子迁移率较未取向薄膜制备的器件提高1个量级以上。 

  此外,对另一种分子结构迥异的D-A共聚物PDPP2TBTSVA-HMF方法同样可以实现大面积高度取向的薄膜,表明此法在调控半导体聚合物薄膜结构方面具有普适性。磁致取向的PDPP2TBT薄膜呈现高达1.56 cm2/Vs的空穴迁移率(J. Mater. Chem. C 2020, 8, 4477)。变温的载流子迁移率测量发现,P(NDI2OD-T2)PDPP2TBT取向薄膜中载流子跳跃运动的热激活能EA较未取向薄膜有极大的降低,这归因于磁诱导骨架链取向导致形成快速的intra-chain电荷传导通路,增强了载流子跳跃运动的离域性。 

  研究人员还发现,在半导体聚合物基体中添加少量(2.0 wt%)的石墨烯纳米片,可进一步提高SVA-HMF制备的聚合物薄膜的分子链取向程度,能显著增强OFET器件的载流子各向异性 (Appl. Phys. Lett. 2020, 117, 063301)。这为提高有机半导体/石墨烯基复合材料的光电性能提供了新途径。 

  上述工作对深化认识磁场和有机半导体分子间的相互作用机制以及有机半导体薄膜结构与相关器件性能之间的关系有重要意义。所提出的磁诱导薄膜生长方法为发展高性能有机半导体新材料、提升器件光电性能提供了一条有效途径。 

  该项研究获得国家自然科学基金项目和国家重点研发项目的支持。 

  文章链接: https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c02749 

  https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/5.0006234 

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/tc/c9tc05803f?page=search 

   

  图1 (a) 半导体聚合物P(NDI2OD-T2)和PDPP2TBT的分子结构;(b)强磁场诱导溶剂蒸汽退火(SVA-HMF)生长取向薄膜的过程示意图。 

   

  图2 (a)基于磁致取向P(NDI2OD-T2)薄膜的TG/BC和BG/BC型OFET器件的转移曲线;(b-c)P(NDI2OD-T2) (b)和PDPP2TBT(c)取向薄膜OFET的载流子迁移率随温度的变化关系。 

  

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