裴堅(jiān)教授和王婕妤博士課題組在聚合物場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究中取得新進(jìn)展
時(shí)間：2013-11-13 23:05 作者： 來(lái)源：北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院
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。與小分子材料相比，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。在聚合物電致發(fā)光二極管和體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中，對(duì)苯撐乙烯 (PPV) 類聚合物是研究最早且最為廣泛的一類高分子材料。
然而將PPV應(yīng)用于聚合物場(chǎng)效應(yīng)晶體管領(lǐng)域的研究則相對(duì)較少，主要原因是目前PPV的衍生物遷移率很低 (10–5~10–2 cm2 V–1 s–1)。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅(jiān)教授和王婕妤博士課題組開展了一系列基于新型PPV衍生物的聚合物場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料的結(jié)構(gòu)和性能研究。他們?cè)O(shè)計(jì)合成了一類新的PPV衍生物——基于苯并二呋喃二酮的PPV (benzodifurandione-based PPV)， 簡(jiǎn)稱BDPPV（其中BD意為：北大），來(lái)克服傳統(tǒng)PPV中存在的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的PPV聚合物進(jìn)行一系列結(jié)構(gòu)上的修飾，包括引入吸電子基團(tuán)降低能級(jí)、同時(shí)形成氫鍵固定構(gòu)象以及使用該課題組之前發(fā)展的較遠(yuǎn)分叉的烷基側(cè)鏈以縮短π-π堆積距離。BDPPV作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體層，在空氣中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.1 cm2 V–1 s–1的電子遷移率，比傳統(tǒng)PPV類聚合物高出4個(gè)數(shù)量級(jí)。此類聚合物是第一個(gè)在空氣中電子遷移率超過(guò)1 cm2 V–1 s–1的聚合物。該工作發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)志上（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 12168），并被選為當(dāng)期的封面文章，這期的刊物以《新的聚合物材料展現(xiàn)了比以前高分子材料傳輸電子快得多的性能》為題重點(diǎn)介紹了他們的研究工作。
他們進(jìn)一步基于BDOPV母核發(fā)展了給受體型聚合物，并發(fā)現(xiàn)此類聚合物能夠表現(xiàn)出高達(dá)1.7 cm2 V–1 s–1的電子遷移率，同時(shí)觀察到其暴露在空氣中后表現(xiàn)出雙極傳輸特性，在保持較高電子遷移率（1.45 cm2 V–1 s–1）的同時(shí)，空穴遷移率得到了很大的提高，達(dá)到0.45 cm2 V–1 s–1。這一研究成果為簡(jiǎn)化邏輯電路的制備提供了很好的分子設(shè)計(jì)思路，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在先進(jìn)材料雜志上（Adv. Mater. 2013, DOI: 10.1002/adma.201302278）。
基于近幾年的研究結(jié)果，他們課題組首次提出了烷基側(cè)鏈對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料性能的重要影響，并受美國(guó)化學(xué)會(huì)材料化學(xué)雜志邀請(qǐng)為Chemistry of Materials 25周年紀(jì)念?？珜懥司C述文章：Roles of Flexible Chains in Organic Semiconducting Materials (Chem. Mater. 2013, DOI: 10.1021/cm4018776)，該文章被選為當(dāng)期封面文章之一。他們這一系列開創(chuàng)性的研究工作對(duì)于新的有機(jī)半導(dǎo)體材料的分子設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有非常重要的意義。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生雷霆是這些論文的第一作者。這些工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和上海光源的資助。
