我國科學家在有機半導體磁誘導生長和性能研究中獲進展

2020-09-04 中國科學院科技產業網

近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心張發培研究團隊提出強磁場誘導有機材料生長的新策略，實現高性能半導體聚合物薄膜的結構調控並提高其電荷傳輸能力，相關研究成果分別發表在ACS Applied Materials & Interface、Journal of Materials Chemistry C和Applied Physics Letters上。

有效控制有機半導體薄膜中分子取向和薄膜有序性，有利於實現高性能有機場效應電晶體（OFET）和太陽電池等器件。發展高效、高普適性的溶液相成膜技術是實現這一目的的重要途徑。利用磁場來誘導薄膜在宏觀尺度上的分子取向，可作為直接、「乾淨」手段生長大面積取向的有機薄膜，這引起學界重視。

該課題組在此前研究中，採用強磁場下溶液塗布方法，首次實現多種晶態（和半晶態）半導體聚合物薄膜結構和載流子傳輸特性的控制，提出其薄膜的磁致取向生長機制（Adv. Funct. Mater. 2015，25，5126）。但該方法製備的有機薄膜存在形貌和厚度均勻性差、膜厚不可控等問題，影響薄膜器件光電性能的可重複性。

圖1.(a) 半導體聚合物P(NDI2OD-T2)和PDPP2TBT的分子結構;（b）強磁場誘導溶劑蒸汽退火(SVA-HMF)生長取向薄膜的過程示意圖

針對上述問題，張發培研究團隊首次提出強磁場下的溶劑蒸汽退火（SVA-HMF）的新策略。研究人員通過溶液旋塗來沉積厚度均勻的「溼膜」，將其置於含有飽和有機溶劑的密閉容器中、在強磁場下進行「退火」處理，獲得給體-受體（D-A）型共聚物P（NDI2OD-T2）薄膜的大面積（釐米尺度）、高度取向的薄膜織構。

科研人員通過微結構表徵發現，製備的聚合物薄膜的形貌和厚度均勻性得到改善，聚合物骨架鏈取向程度和薄膜結晶性優於溶液塗布法製備的薄膜（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020，12，29487）；

通過研究SVA-HMF條件對薄膜結構和形貌的影響，研究人員提出強磁誘導溶劑退火調控聚合物薄膜結構的動力學機制；通過製備OFET器件發現，以P（NDI2OD-T2）取向薄膜製備的器件遷移率各向異性達102，其電子遷移率較未取向薄膜製備的器件提高1個量級以上。

此外，對於另一種分子結構迥異的D-A共聚物PDPP2TBT，SVA-HMF方法也可實現大面積高度取向的薄膜，這表明該方法在調控半導體聚合物薄膜結構上具有普適性。磁致取向的PDPP2TBT薄膜呈現高達1.56 cm2/Vs的空穴遷移率（J. Mater. Chem. C 2020，8，4477）。

圖2.（a）基於磁致取向P（NDI2OD-T2）薄膜的TG/BC和BG/BC型OFET器件的轉移曲線；（b-c）P（NDI2OD-T2）（b）和PDPP2TBT（c）取向薄膜OFET的載流子遷移率隨溫度的變化關係

研究人員通過測量變溫的載流子遷移率發現，P（NDI2OD-T2）和PDPP2TBT取向薄膜中載流子跳躍運動的熱激活能EA較未取向薄膜有降低，這歸因於磁誘導骨架鏈取嚮導致形成快速的intra-chain電荷傳導通路，增強載流子跳躍運動的離域性。

研究顯示，在半導體聚合物基體中添加少量（2.0wt%）石墨烯納米片，可進一步提高SVA-HMF製備的聚合物薄膜的分子鏈取向程度，增強OFET器件的載流子各向異性 （Appl. Phys. Lett. 2020，117，063301）。

該研究有利於深化科研人員對磁場和有機半導體分子間的相互作用機制、有機半導體薄膜結構與相關器件性能間關係的認識。研究團隊提出的磁誘導薄膜生長方法為發展高性能有機半導體新材料、提升器件光電性能提供了途徑。研究工作得到國家自然科學基金項目和國家重點研發項目的支持。

來源：合肥物質科學研究院

相關焦點

  • 我國科學家在磁斯格明子研究中獲重要進展
    我國科學家在磁斯格明子研究中獲重要進展 2020-10-30 01:29:04 來源 : 科技日報 科技日報合肥10月27日電（記者 吳長鋒）記者從中科院合肥研究院獲悉，該院強磁場中心磁性功能材料與器件研究團隊利用洛倫茲透射電子顯微鏡研究了Kagome晶體Fe3Sn2中的磁結構，澄清了該類材料中的複雜多拓撲態的起源，成果發表在《國家科學評論》上。
  • 福建物構所滷化鉛雜化半導體材料研究獲進展
    福建物構所滷化鉛雜化半導體材料研究獲進展 2016-02-29 福建物質結構研究所 【字體：大 中 小】 這類材料的半導體性能主要來源於雜化材料中的無機骨架部分，目前研究主要集中在三維鈣鈦礦無機結構和二維層狀無機結構上。尋找具有新型滷化鉛結構的雜化材料或可成為解決當前這類材料穩定性不好和導電性能差的一個解決方案。
  • Feature Article|聚集誘導發光材料在有機光電器件中的應用
    研究背景在顯示和照明領域，有機半導體材料在電致發光、電致變色、液晶顯示以及太陽能聚光器等光電器件中已經得到深入研究。在這些器件中，有機材料通常以聚集態（固態或薄膜態）的形式才能被應用。傳統發光材料在溶液態具有優異的發光性能，但是在聚集態由於分子間的強相互作用，往往會導致發光猝滅，從而嚴重影響器件性能，制約了發光材料在光電器件中的應用，也影響了有機光電產業的發展。
  • 福建物構所金屬-有機框架薄膜的組裝及性能研究獲進展
    開發和研究具有高介電常數、低漏流和高擊穿電壓的功能器件對柵極介電薄膜材料和高電子傳輸二極體等電子器件材料具有重要的意義。當前，大部分柵極介電薄膜材料都是基於傳統的矽基電子元件材料。然而，傳統的矽基材料在實際應用中常常會面臨高介電損耗以及由於厚度引起的隧穿效應等問題。
  • 合肥研究院在有機半導體自旋傳輸研究中取得進展
    近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究人員在聚合物半導體的自旋流探測及其薄膜結構-自旋傳輸性能關係研究中取得新進展，相關研究成果在美國化學會(ACS)旗下期刊《ACS應用材料和界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上在線發表。
  • 南科大郭旭崗團隊n型有機和高分子半導體材料研究取得系列成果
    近期，我校材料科學與工程系（簡稱「材料系」）教授郭旭崗課題組在n型(電子傳輸型)有機和高分子半導體材料方面取得重要研究進展，先後在材料和化學領域高水平期刊連續發表5篇論文，包括《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society) 2篇，《德國應用化學》(Angewandte Chemie)，《先進材料》(Advanced Materials)，《
  • 我國在二維分子晶體的結構演變和物性研究中獲進展
    索比光伏網訊:有機分子薄膜在基礎研究及應用領域具有重要的價值。基於有機分子薄膜的有機發光二極體（OLED）、有機場效應電晶體（OFET）等器件因在柔性電子產品方面具有廣泛的應用潛力而倍受關注。影響柔性分子電子器件應用的關鍵因素之一是分子薄膜的物理性能受機械形變的影響程度。
  • 南科大郭旭崗團隊n型有機和高分子半導體材料研究連發5篇頂刊
    近期，南方科技大學材料科學與工程系（簡稱「材料系」）教授郭旭崗課題組在n型(電子傳輸型)有機和高分子半導體材料方面取得重要研究進展，先後在材料和化學領域高水平期刊連續發表5篇論文，包括《美國化學會志》(Journal
  • 分析儀器助力半導體騰飛——「半導體材料及器件研究與應用進展...
    2018年6月12日，「半導體材料及器件研究與應用進展」主題網絡研討會在儀器信息網「網絡講堂」欄目成功舉辦。本次會議旨在為全國在半導體及器件領域或有意在本領域從事研發、教學、生產的科技人員提供一個學術與技術交流的平臺，以促進我國半導體材料及器件領域的科技創新和產業發展。
  • 我國科學家高階多光子非線性響應的光鐵電半導體材料研究中獲進展
    鐵電材料在強雷射作用下，孕育和產生了具有重要應用前景的物理性質，如聲光、電光和反常光學效應等，逐漸發展成為新一代光電子器件的有力候選者。其中，具有多光子吸收效應的鐵電體在生物成像、頻率上轉換雷射和光限幅等方面具有潛在應用。然而目前，學界針對鐵電材料的研究以雙光子吸收為主，基於鐵電材料實現更高階的多光子非線性過程仍具挑戰性。
  • 復旦專家研究有機薄膜電晶體穩定性獲突破
    復旦專家研究有機薄膜電晶體穩定性獲突破 　　中新社上海2月10日電 (記者 鄒瑞玥)最新一期的國際權威性學術期刊《自然-通訊》(NatureCommunications)發表了復旦大學信息科學與工程學院仇志軍與劉冉科研團隊的一項成果，他們在揭示有機薄膜電晶體(OTFT)性能穩定性機制上取得突破性進展。
  • 福建物構所高居裡溫度雜化鈣鈦礦光鐵電半導體研究獲進展
    有機無機雜化鈣鈦礦光鐵電半導體因結合了鐵電性和優異的半導體性能，在光電器件領域吸引了科研工作者的興趣。然而，二維雜化鈣鈦礦鐵電的居裡溫度的有效調節仍是挑戰。對於有機無機雜化鈣鈦礦鐵電體，有機陽離子的有序-無序運動是驅動鐵電相變的關鍵因素，提高這種旋轉驅動的雜化鈣鈦礦鐵電的相變勢壘可以顯著提高其居裡溫度。有機金屬框架材料中的客體分子限域效應為合理調控二維雜化鈣鈦礦鐵電體的居裡溫度提供了新思路。
  • 有機半導體熱電材料性能指數翻倍
    美國科學家最新發現了一種方法，將目前表現最好的有機半導體熱電材料的效率提高了70%。研究發表在5月5日出版的《自然—材料學》雜誌上。 現在最高效的熱電材料一般由鉍、碲、硒等相對來說比較少見的無機半導體組成，這些元素昂貴、易碎，而且有些還有毒。有機半導體不僅便宜、儲量豐富而且輕便、堅固，但一直以來，這類熱電材料在熱—電轉化過程中的表現差強人意。
  • 基礎研究新進展和新成果
    發現塊體納米銅的超延展性，其變形過程主要由晶界行為所控制而並非是傳統的晶格位錯行為；發現孿晶界面誘導納米銅的高強度和高導電性特性，表明通過納米尺度上的結構設計可以優化材料性能。提出了二元協同產生超雙疏性能的新原理，設計合成了具有仿生超雙疏功能的界面結構材料，發現溫場和光場控制的超疏水/超親水可逆轉變的「開關效應」。
  • 福建物構所雜化光鐵電半導體的結構設計與光電應用研究獲進展
    其中，二維有機—無機雜化鐵電體不僅表現出強烈的結構各向異性，而且鐵電自發極化形成的內建電場利於光生載流子分離，在偏振光電探測方面獨具優勢。然而，基於二維雜化光鐵電半導體實現高效的日盲紫外光電探測仍然是需要解決的重要問題。
  • 清華大學：高性能蛋白有機凝膠纖維實現對幹細胞的有序誘導和分化
    凝膠體系由於具備動態網絡，結構靈活性以及可編程的功能性，近年來受到越來越多的關注，特別是引入外界聲光電等調控元件使其在可穿戴器件、增材製造、界面粘合以及生物醫藥等領域獲得了顯著的進展。然而，其固有的弱力學性能嚴重限制了該類材料在細胞力學和組織工程方面的應用。除此之外，如何長期保存凝膠材料並維持其性能穩定性依然是一個嚴峻的挑戰。
  • 有機半導體的發展介紹|有機半導體|器件|電晶體|半導體
    有機半導體是由有機分子組成的材料，特殊的結構讓其具有導電性，其導電性能介於導體與絕緣體之間的材料。與金屬和絕緣體相比，半導體材料的發現是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以後，半導體的存在才真正被學術界認可。
  • 晶體材料國家重點實驗室在有機晶體生長方法研究方面取得重要進展
    有機晶體在襯底上的原位集成是有機光電器件應用的基礎，在幾十年的研究中只能採用溶液法和物理氣相沉積法製備有機單晶。由於受低溶解度和複雜的工藝等限制，通常有機單晶器件只能作材料基本性質和極限性能的展示，並不能大規模應用。
  • 復旦大學在超分子組裝合成新型半導體納米線氣敏材料研究取得進展
    超分子組裝在自然界和生命體系中廣泛存在。科學家師法自然，藉助各種非共價鍵作用和超分子組裝仿生合成了大量具有新穎結構和獨特性能的自組裝納米材料。作為一類重要的納米結構材料，半導體納米線（semiconductor nanowires）因其獨特的電學、光學、熱學以及電化學特性日益成為國際納米科學領域的前沿研究課題。