合肥研究院磁場誘導有機半導體生長研究獲進展

文章來源：合肥物質(zhì)科學研究院    發(fā)布時間：2015-07-24  

近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研究人員采用強磁場誘導手段，成功地實現(xiàn)了新型高性能半導體聚合物薄膜的結(jié)構(gòu)調(diào)控并顯著提高其電荷傳輸能力，相關研究成果在學術期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上在線發(fā)表。

有效控制有機半導體薄膜中分子取向、堆積方式和結(jié)晶性等結(jié)構(gòu)特性，對實現(xiàn)高性能場效應晶體管（OFET）和太陽電池等器件具有關鍵性的作用。有機分子(特別是pi共軛分子)具有很強的抗磁磁化率各向異性，使分子磁能大小強烈地依賴于分子軸與外磁場間的取向。在材料生長過程中強磁場可用來控制分子排列和取向以及生長模式，因此可成為控制材料結(jié)構(gòu)和性能的一種干凈、普適性手段。目前已實現(xiàn)多種類液晶材料、一些簡單小分子和嵌段聚合物材料在強磁場下的取向生長。然而對于分子間相互作用強、結(jié)構(gòu)有序度高的共軛分子和聚合物半導體，強磁場誘導生長和結(jié)構(gòu)調(diào)控則異常困難，而這些材料通常具有高載流子遷移率和優(yōu)異的光電特性。

強磁場科學中心研究員張發(fā)培課題組與合肥研究院固體物理研究所研究員戴建明課題組合作，解決了上述有機半導體薄膜的強磁場誘導生長和結(jié)構(gòu)調(diào)控問題。通過發(fā)展新的強磁場下原位溶液凃布方法，在國際上首次實現(xiàn)了晶態(tài)和半晶態(tài)聚合物半導體薄膜的大面積宏觀擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)。通過綜合的微結(jié)構(gòu)測量，發(fā)現(xiàn)強磁誘導導致新型高性能聚合物P(NDI2OD-T2)的分子鏈沿磁場方向高度取向。他們觀察了從不同有機溶劑中生長的P(NDI2OD-T2)薄膜取向度和有序度的變化，發(fā)現(xiàn)聚合物溶液中存在的分子聚集態(tài)（aggregate）與磁場的強相互作用誘發(fā)和決定了磁致取向生長的過程，提出了薄膜磁致取向生長的機制模型。研究人員還通過新穎的時間調(diào)制磁場技術，有效地控制了分子骨架的共軛平面在薄膜中的空間取向，顯著提高了P(NDI2OD-T2)分子間沿膜面法線方向的face-on 堆積有序度。利用強磁場生長的薄膜制備OFET器件，發(fā)現(xiàn)強磁誘導取向可顯著提高聚合物半導體的載流子遷移率（達4倍），并產(chǎn)生強的載流子遷移率各向異性。

P(NDI2OD-T2)是典型的“施主-受主”型聚合物，這類新型聚合物是目前有機電子學中最重要的材料之一，上述工作為探索進一步提高其光電性能提供了新途徑和重要線索，也為深化認識有機材料強磁誘導生長的動力學機制以及有機薄膜結(jié)構(gòu)與性能間內(nèi)在關系具有指導性作用。

強磁場（8T）下生長的P(NDI2OD-T2)薄膜的宏觀取向結(jié)構(gòu)：(a) 極化光顯微圖；(b) In-plane掠入射X光衍射圖（GIXRD）