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智能手机对于触控的响应速度是由各种显示组件之间电荷的流通速率决定的。伦敦帝国理工学院(Imperial
College London,简称 ICL)的科学家们与阿卜杜拉国王科技大学(King
Abdullah University of SCience and Technology,简称
KAUST)的同仁们将合作制造有机薄膜晶体管
,这些有机薄膜晶体管通过融合两种有机半导体的细致溶液处理方法不断取得创纪录的载流子迁移率。这些有机薄膜晶体管及其处理方法提供了一系列未来的电子应用。

高性能有机半导体材料是有机光电器件的核心组成部分,是有机光电器件应用的基础。近期,中国科学院上海有机化学研究所有机功能分子合成与组装化学重点实验室李洪祥课题组在新型高性能有机半导体材料方面取得了系列进展。针对目前高性能n-型有机半导体缺乏的现状和面临的挑战,李洪祥课题组在前期噻吩醌式n-型有机半导体研究的基础上,在噻吩醌式分子中引入呋喃结构单元,首次合成了呋喃-噻吩醌式n-型有机半导体分子。该化合物显示了高的电子迁移率,其溶液法制备的晶体管器件迁移率高达7.7cm2/Vs。单晶结构和薄膜XRD结果显示呋喃-噻吩醌式分子在薄膜中呈面对面的-堆积,且-堆积的方向与载流子传输方向一致。上述结果表明呋喃-噻吩醌式分子是一类优异的高性能n-型有机半导体。给-受体共轭聚合物是一类重要的聚合物半导体。优异受体结构单元的缺乏是制约新型高性能给-受体聚合物半导体发展的瓶颈之一。李洪祥课题组在前期高性能噻吩酰亚胺聚合物半导体工作的基础上,设计合成了系列双噻吩酰亚胺聚合物。电化学和吸收光谱显示这些聚合物在有机晶体管和有机太阳能电池方面具有潜在的应用。通过溶液方法构筑的薄膜晶体管测试表明,其薄膜器件呈现高性能的双极性载流子传输特性,其最高电子/空穴迁移率达1.02/0.33cm2/Vs。基于ITO/PEDOT:PSS/Polymer:PC71BM/Ca/Al结构的太阳能电池表征显示,双噻吩酰亚胺聚合物电池具有高的开路电压和光电转化效率,其开路电压约为1.0V,电池的光电转化效率可达6.46%。上述结果表明双噻吩酰亚胺是一类优异的多功能受体结构单元。上述研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院的资助。

Aram Amassian
教授在阿卜杜拉国王科技大学的研究小组与伦敦帝国理工学院物理系的 Thomas
Anthopoulos 博士以及化学系的 Iain McCulloch 教授和 Martin Heeney
博士合作开发并描述了一种可提高电荷流通速率且支持更快的有机晶体管制作的复合材料。他们在发表于《Advanced
MateriaLS》上的一篇联合论文中描述了这种新颖的半导体混合物(网址:

为应对昂贵的真空沉积工艺的挑战,有机合成化学家在共轭可溶性小分子的合成方面越来越有成效。帝国理工学院的首席研究员
Anthopoulos
博士评论说:“尽管它们有形成大晶体的趋势,但是重复形成高品质、连续且均匀的薄膜仍是一个问题。”相比之下,聚合物半导体常为可溶性的,而且可以形成优质连续薄膜,但直到不久前,聚合物半导体的电荷载流子迁移率还无法高于
1 cm2/Vs。

在这项集体工作中,帝国理工学院的化学家们通过与该大学塑料电子中心(网址:

复合材料的性能之所以能得到提升,其部分原因在于混合物中小分子成分的晶体结构以及多晶薄膜顶面的平整度和光滑度。后者对上闸极、下触式配置设备至关重要,这是因为半导体混合物的顶面在涂上聚合物电介质溶液时形成了半导体电介质界面。复合材料的性能之所以能得到提升,其部分原因在于混合物中小分子成分的晶体结构以及多晶薄膜顶面的平整度和光滑度。后者对上闸极、下触式配置设备至关重要,这是因为半导体混合物的顶面在涂上聚合物电介质溶液时形成了半导体电介质界面。

对纯净状态下的高度多晶小分子而言,表面光滑连续和缺乏表面晶界这种事情并不常见,这表明聚合物粘合剂可使半导体晶体变得平滑,甚至可能为半导体晶体涂上了纳米级薄层。研究论文的共同作者、阿卜杜拉国王科技大学的
Amassian 教授指出:“聚合物与分子的混合物的性能超过 5
cm2/Vs,这一数据非常接近之前公布的分子本身的单晶体迁移率。”

阿卜杜拉国王科技大学的材料科学家们通过结合使用康奈尔高能同步辐射源 D1
光束线同步辐射 X 射线散射技术、横截面能量过滤透射电子显微镜法
以及地形相位模式原子力显微镜法解决了有机半导体混合物的相位分离、结晶度和形态分析等问题。

斯坦福大学 (Stanford University) 的 Alberto Salleo
教授是聚合物半导体高级结构表征方面的专家,他表示:“这项工作特别令人兴奋,因为它表明了通过将互补性的强大表征技术应用到这些复杂的有机混合物中,你就可以了解很多关于它们是如何起作用的知识。这是结构与属性关系方面的一个研究范例,突出了这类合作的有效性。5
cm2/Vs
的迁移率已经是一个惊人的数字。所描述的方法为研究人员实现更高的迁移率提供了机会。”

Anthopoulos
博士补充说:“原则上说,这种简单的混合方法可以促进有机晶体管的发展,使有机晶体管的功能特性远远超出目前的最高水准。”

来源:凤凰网

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