近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心張發(fā)培研究團(tuán)隊(duì)提出強(qiáng)磁場誘導(dǎo)有機(jī)材料生長的新策略，實(shí)現(xiàn)高性能半導(dǎo)體聚合物薄膜的結(jié)構(gòu)調(diào)控并提高其電荷傳輸能力，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在ACS Applied Materials & Interface、Journal of Materials Chemistry C和Applied Physics Letters上。

有效控制有機(jī)半導(dǎo)體薄膜中分子取向和薄膜有序性，有利于實(shí)現(xiàn)高性能有機(jī)場效應(yīng)晶體管（OFET）和太陽電池等器件。發(fā)展高效、高普適性的溶液相成膜技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目的的重要途徑。利用磁場來誘導(dǎo)薄膜在宏觀尺度上的分子取向，可作為直接、“干凈”手段生長大面積取向的有機(jī)薄膜，這引起學(xué)界重視。該課題組在此前研究中，采用強(qiáng)磁場下溶液涂布方法，首次實(shí)現(xiàn)多種晶態(tài)（和半晶態(tài)）半導(dǎo)體聚合物薄膜結(jié)構(gòu)和載流子傳輸特性的控制，提出其薄膜的磁致取向生長機(jī)制（Adv. Funct. Mater. 2015，25，5126）。但該方法制備的有機(jī)薄膜存在形貌和厚度均勻性差、膜厚不可控等問題，影響薄膜器件光電性能的可重復(fù)性。

針對(duì)上述問題，張發(fā)培研究團(tuán)隊(duì)首次提出強(qiáng)磁場下的溶劑蒸汽退火（SVA-HMF）的新策略。研究人員通過溶液旋涂來沉積厚度均勻的“濕膜”，將其置于含有飽和有機(jī)溶劑的密閉容器中、在強(qiáng)磁場下進(jìn)行“退火”處理，獲得給體-受體（D-A）型共聚物P（NDI2OD-T2）薄膜的大面積（厘米尺度）、高度取向的薄膜織構(gòu)?？蒲腥藛T通過微結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，制備的聚合物薄膜的形貌和厚度均勻性得到改善，聚合物骨架鏈取向程度和薄膜結(jié)晶性優(yōu)于溶液涂布法制備的薄膜（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020，12，29487）；通過研究SVA-HMF條件對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和形貌的影響，研究人員提出強(qiáng)磁誘導(dǎo)溶劑退火調(diào)控聚合物薄膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制；通過制備OFET器件發(fā)現(xiàn)，以P（NDI2OD-T2）取向薄膜制備的器件遷移率各向異性達(dá)102，其電子遷移率較未取向薄膜制備的器件提高1個(gè)量級(jí)以上。

此外，對(duì)于另一種分子結(jié)構(gòu)迥異的D-A共聚物PDPP2TBT，SVA-HMF方法也可實(shí)現(xiàn)大面積高度取向的薄膜，這表明該方法在調(diào)控半導(dǎo)體聚合物薄膜結(jié)構(gòu)上具有普適性。磁致取向的PDPP2TBT薄膜呈現(xiàn)高達(dá)1.56 cm2/Vs的空穴遷移率（J. Mater. Chem. C 2020，8，4477）。研究人員通過測量變溫的載流子遷移率發(fā)現(xiàn)，P（NDI2OD-T2）和PDPP2TBT取向薄膜中載流子跳躍運(yùn)動(dòng)的熱激活能EA較未取向薄膜有降低，這歸因于磁誘導(dǎo)骨架鏈取向?qū)е滦纬煽焖俚膇ntra-chain電荷傳導(dǎo)通路，增強(qiáng)載流子跳躍運(yùn)動(dòng)的離域性。研究顯示，在半導(dǎo)體聚合物基體中添加少量（2.0wt%）石墨烯納米片，可進(jìn)一步提高SVA-HMF制備的聚合物薄膜的分子鏈取向程度，增強(qiáng)OFET器件的載流子各向異性 （Appl. Phys. Lett. 2020，117，063301）。

該研究有利于深化科研人員對(duì)磁場和有機(jī)半導(dǎo)體分子間的相互作用機(jī)制、有機(jī)半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)與相關(guān)器件性能間關(guān)系的認(rèn)識(shí)。研究團(tuán)隊(duì)提出的磁誘導(dǎo)薄膜生長方法為發(fā)展高性能有機(jī)半導(dǎo)體新材料、提升器件光電性能提供了途徑。研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：1、2、3 

圖1.(a) 半導(dǎo)體聚合物P(NDI2OD-T2)和PDPP2TBT的分子結(jié)構(gòu);（b）強(qiáng)磁場誘導(dǎo)溶劑蒸汽退火(SVA-HMF)生長取向薄膜的過程示意圖

圖2.（a）基于磁致取向P（NDI2OD-T2）薄膜的TG/BC和BG/BC型OFET器件的轉(zhuǎn)移曲線；（b-c）P（NDI2OD-T2）（b）和PDPP2TBT（c）取向薄膜OFET的載流子遷移率隨溫度的變化關(guān)系