裴堅(jiān)教授課題組在聚合物場效應(yīng)晶體管的研究中取得系列進(jìn)展
時間：2021-04-06 17:01:03學(xué)院：化學(xué)與分子工程學(xué)院學(xué)校：北京大學(xué)
有機(jī)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(diǎn)，在邏輯電路，顯示器件和射頻電子標(biāo)簽等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)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(jī)械性能和熱力學(xué)穩(wěn)定性。傳統(tǒng)聚合物場效應(yīng)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(jìn)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(guān)系的研究還很不成熟，進(jìn)一步阻礙了該領(lǐng)域的發(fā)展。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅(jiān)教授課題組開展了異靛青類分子聚合物場效應(yīng)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(yīng)用于聚合物場效應(yīng)晶體管領(lǐng)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(dá)60%的空氣中穩(wěn)定長達(dá)6個月之久（J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 6099）。基于這一成果，他們設(shè)計(jì)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(guān)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(xué)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(shè)計(jì)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(yuǎn)離聚合物的主干，π-π堆積距離會逐漸變小，當(dāng)距離為三個亞甲基時達(dá)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(shè)計(jì)具有十分重要的意義（Adv. Mater. 2012, 24, 6451）。
該課題組進(jìn)一步通過化學(xué)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(shí)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(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)思路（J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20025），實(shí)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(yīng)晶體管領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題。
相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和上海光源的資助。
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