有机场效应晶体管(OFET)作为有机电子电路的基本构筑单元,已在柔性显示驱动、电子皮肤以及电子标签等领域展现出应用潜力。在研究过程中引入新的设计理念,调控分子溶液的预聚集状态和分子薄膜的组装行为,以获得高迁移率、高稳定的有机高分子材料和OFET器件是科研人员长期追求的目标。

  在国家自然科学基金委员会、科技部和中国科学院的支持下,中科院化学研究所有机固体实验室研究员郭云龙和中科院院士、研究员刘云圻与天津大学教授胡文平教授合作,基于优异的分子结构设计,利用线棒涂膜方法,调控聚合物分子的取向组装,制备出A4尺寸的取向组装聚合物半导体薄膜。当载流子传输方向与聚合物主链方向一致时,基于该薄膜的场效应晶体管器件的空穴迁移率为5.5 cm2V–1s–1,电子迁移率为4.5 cm2V–1s–1,该器件的迁移率是旋涂法制备的晶体管性能的9倍(Advanced Materials 2019, 31, 1805761)。

  最近,科研人员发现添加聚丙烯腈(PAN)不仅可以调控分子的预聚集状态,还可提高聚合物溶液的可加工性。科研人员进一步结合棒涂法,制备出高度结晶和缺陷较少的聚合物分子薄膜。基于该薄膜的OFET器件,沿着晶畴取向方向的电子迁移率提升到5-6 cm2V–1s–1,相比于旋涂法制备的薄膜FET性能(迁移率0.1-0.2 cm2V–1s–1)有较大提升。该器件在零下80摄氏度到200摄氏度表现出出色的冷-热稳定性,极大拓展了OFET在不同环境条件下的应用,打破了人们对电子传输型聚合物FET器件不稳定的传统认识。相关研究成果发表在Chem上,论文第一作者为博士姜莹莹,论文通讯作者为郭云龙、胡文平和刘云圻。

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分子取向加工过程、器件结构和迁移率随温度变化结果

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