有機薄膜晶體管具有低成本、輕便、柔性和可用于大面積溶液加工等特點,在邏輯電路,顯示器件和射頻電子標簽等領域具有巨大的潛在應用。比起小分子材料,聚合物材料具有更好的溶液加工性,更好的機械性能和熱力學穩(wěn)定性。傳統(tǒng)聚合物場效應晶體管的研究主要集中在噻吩類聚合物,但是該類聚合物遷移率較低,并且在空氣中穩(wěn)定性差,很難滿足進一步的商業(yè)化要求。另一方面,聚合物材料中結(jié)構(gòu)和性能關系的研究還很不成熟,進一步阻礙了該領域的發(fā)展。
北京大學化學與分子工程學院裴堅教授課題組開展了異靛青類分子聚合物場效應晶體管材料結(jié)構(gòu)和性能的研究。他們首先將異靛青這一染料分子應用于聚合物場效應晶體管領域。研究發(fā)現(xiàn)該類聚合物具有低的HOMO能級,因而表現(xiàn)出了很好的空氣穩(wěn)定性,并可在濕度高達60%的空氣中穩(wěn)定長達6個月之久(J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 6099)。基于這一成果,他們設計合成了十多種該類聚合物材料,并利用上海同步輻射衍射光束站開展了深入的結(jié)構(gòu)和性能的研究。研究發(fā)現(xiàn)聚合物片段的對稱性和最終聚合物骨架的構(gòu)象具有密切的關系,并且極大地影響著聚合物的有序排列,從而影響聚合物材料的遷移率。該研究工作以全文形式發(fā)表于材料化學上(Chem. Mater. 2012, 24, 1762)。
烷基鏈傳統(tǒng)上僅被用來改善材料的溶解度,但是該課題組隨后的研究表明烷基鏈的設計對聚合物遷移率具有很大的影響。他們首次研究了烷基鏈分叉位置的影響,發(fā)現(xiàn)隨著分叉位置遠離聚合物的主干,π-π堆積距離會逐漸變小,當距離為三個亞甲基時達到了最大遷移率3.62 cm2 V-1 s-1。這一研究揭示了烷基鏈對共軛材料性能的影響,對聚合物材料的設計具有十分重要的意義(Adv. Mater. 2012, 24, 6451)。
該課題組進一步通過化學修飾異靛青骨架,引入氟原子降低聚合物材料的LUMO能級,成功實現(xiàn)了空氣穩(wěn)定的高效率空穴和電子雙極傳輸。這一研究成果為簡化邏輯電路設計,降低成本提供了條件,并給其他空氣穩(wěn)定的電子傳輸材料提供了很好的分子結(jié)構(gòu)設計思路(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20025),實現(xiàn)高效率的空氣穩(wěn)定的電子傳輸,解決了目前聚合物場效應晶體管領域研究的關鍵問題。
相關工作得到了科技部、國家自然科學基金委和上海光源的資助。
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