合肥研究院在有机半导体磁诱导生长和性能研究中获进展

　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心张发培研究团队提出强磁场诱导有机材料生长的新策略，实现高性能半导体聚合物薄膜的结构调控并提高其电荷传输能力，相关研究成果分别发表在ACS Applied Materials & Interface、Journal of Materials Chemistry C和Applied Physics Letters上。

　　有效控制有机半导体薄膜中分子取向和薄膜有序性，有利于实现高性能有机场效应晶体管(OFET)和太阳电池等器件。发展高效、高普适性的溶液相成膜技术是实现这一目的的重要途径。利用磁场来诱导薄膜在宏观尺度上的分子取向，可作为直接、“干净”手段生长大面积取向的有机薄膜，这引起学界重视。该课题组在此前研究中，采用强磁场下溶液涂布方法，首次实现多种晶态(和半晶态)半导体聚合物薄膜结构和载流子传输特性的控制，提出其薄膜的磁致取向生长机制(Adv. Funct. Mater. 2015，25，5126)。但该方法制备的有机薄膜存在形貌和厚度均匀性差、膜厚不可控等问题，影响薄膜器件光电性能的可重复性。

　　针对上述问题，张发培研究团队首次提出强磁场下的溶剂蒸汽退火(SVA-HMF)的新策略。研究人员通过溶液旋涂来沉积厚度均匀的“湿膜”，将其置于含有饱和有机溶剂的密闭容器中、在强磁场下进行“退火”处理，获得给体-受体(D-A)型共聚物P(NDI2OD-T2)薄膜的大面积(厘米尺度)、高度取向的薄膜织构。科研人员通过微结构表征发现，制备的聚合物薄膜的形貌和厚度均匀性得到改善，聚合物骨架链取向程度和薄膜结晶性优于溶液涂布法制备的薄膜(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020，12，29487)；通过研究SVA-HMF条件对薄膜结构和形貌的影响，研究人员提出强磁诱导溶剂退火调控聚合物薄膜结构的动力学机制；通过制备OFET器件发现，以P(NDI2OD-T2)取向薄膜制备的器件迁移率各向异性达102，其电子迁移率较未取向薄膜制备的器件提高1个量级以上。

　　此外，对于另一种分子结构迥异的D-A共聚物PDPP2TBT，SVA-HMF方法也可实现大面积高度取向的薄膜，这表明该方法在调控半导体聚合物薄膜结构上具有普适性。磁致取向的PDPP2TBT薄膜呈现高达1.56 cm2/Vs的空穴迁移率(J. Mater. Chem. C 2020，8，4477)。研究人员通过测量变温的载流子迁移率发现，P(NDI2OD-T2)和PDPP2TBT取向薄膜中载流子跳跃运动的热激活能EA较未取向薄膜有降低，这归因于磁诱导骨架链取向导致形成快速的intra-chain电荷传导通路，增强载流子跳跃运动的离域性。研究显示，在半导体聚合物基体中添加少量(2.0wt%)石墨烯纳米片，可进一步提高SVA-HMF制备的聚合物薄膜的分子链取向程度，增强OFET器件的载流子各向异性 (Appl. Phys. Lett. 2020，117，063301)。

　　半导体是什么？

　　半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

　　半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用，如二极管就是采用半导体制作的器件。

　　无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。大部分的电子产品，如计算机或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。

　　常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，硅是各种半导体材料应用中具有影响力的一种。

　　该研究有利于深化科研人员对磁场和有机半导体分子间的相互作用机制、有机半导体薄膜结构与相关器件性能间关系的认识。研究团队提出的磁诱导薄膜生长方法为发展高性能有机半导体新材料、提升器件光电性能提供了途径。研究工作得到国家自然科学基金项目和国家重点研发项目的支持。

　　新型半导体材料在工业方面的应用越来越多。新型半导体材料表现为其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用，我国与其他国家相比在这方面还有着很大一部分的差距，通常会表现在对一些基本仪器的制作和加工上，近几年来，国家很多的部门已经针对我国相对于其他国家存在的弱势，这一方面统一的组织了各个方面的群体，对其进行有效的领导，然后共同努力去研制更加高水平的半导体材料。这样才能够在很大程度上适应我国工业化的进步和发展，为我国社会进步提供更强大的动力。首先需要进一步对超晶格量子阱材料进行研发，目前我国半导体材料在这方面的发展背景来看，应该在很大程度上去提高超高亮度，红绿蓝光材料以及光通信材料，在未来的发展的主要研究方向上，同时要根据市场上，更新一代的电子器件以及电路等要求进行强化，将这些光电子结构的材料，在未来生产过程中的需求进行仔细的分析和探讨，然后去满足未来世界半导体发展的方向，我们需要选择更加优化的布点，然后做好相关的开发和研究工作，这样将各种研发机构与企业之间建立更好的沟通机制就可以在很大程度上实现高温半导体材料，更深一步的开发和利用。