近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心張發(fā)培研究團隊提出強磁場誘導有機材料生長的新策略，實現(xiàn)高性能半導體聚合物薄膜的結構調控并提高其電荷傳輸能力，相關研究成果分別發(fā)表在ACS Applied Materials & Interface、Journal of Materials Chemistry C和Applied Physics Letters上。

有效控制有機半導體薄膜中分子取向和薄膜有序性，有利于實現(xiàn)高性能有機場效應晶體管（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是實現(xiàn)這一目的的重要途徑。利用磁場來誘導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薄膜，這引起學界重視。該課題組在此前研究中，采用強磁場下溶液涂布方法，首次實現(xiàn)多種晶態(tài)（和半晶態(tài)）半導體聚合物薄膜結構和載流子傳輸特性的控制，提出其薄膜的磁致取向生長機制（Adv. Funct. Mater. 2015，25，5126）。但該方法制備的有機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性。

針對上述問題，張發(fā)培研究團隊首次提出強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溶劑的密閉容器中、在強磁場下進行“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。科研人員通過微結構表征發(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條件對薄膜結構和形貌的影響，研究人員提出強磁誘導溶劑退火調控聚合物薄膜結構的動力學機制；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102，其電子遷移率較未取向薄膜制備的器件提高1個量級以上。

此外，對于另一種分子結構迥異的D-A共聚物PDPP2TBT，SVA-HMF方法也可實現(xiàn)大面積高度取向的薄膜，這表明該方法在調控半導體聚合物薄膜結構上具有普適性。磁致取向的PDPP2TBT薄膜呈現(xiàn)高達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動的熱激活能EA較未取向薄膜有降低，這歸因于磁誘導骨架鏈取向導致形成快速的intra-chain電荷傳導通路，增強載流子跳躍運動的離域性。研究顯示，在半導體聚合物基體中添加少量（2.0wt%）石墨烯納米片，可進一步提高SVA-HMF制備的聚合物薄膜的分子鏈取向程度，增強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磁場和有機半導體分子間的相互作用機制、有機半導體薄膜結構與相關器件性能間關系的認識。研究團隊提出的磁誘導薄膜生長方法為發(fā)展高性能有機半導體新材料、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基金項目和國家重點研發(fā)項目的支持。

論文鏈接：1、2、3 

圖1.(a) 半導體聚合物P(NDI2OD-T2)和PDPP2TBT的分子結構;（b）強磁場誘導溶劑蒸汽退火(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系