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18新利登录:【聚焦“双一流”】我院在强磁场调控有机半导体薄膜结构和性能研究方面取得新进展

时间:2021-07-01   浏览:10

近期,我院能源材料与化学研究所潘国兴副研究员与中科院强磁场中心张发培研究员课题组合作,利用强磁场这一独特的手段,成功实现了高性能半导体聚合物薄膜的结构调控并显著提升其载流子输运能力。相关系列研究成果分别发表在国际著名期刊The Journal of Physical Chemistry Letters2021,12, 3476?3484),ACS Applied Materials & Interface (2020, 12, 29487?29496)Applied Physics Letters (2020,117, 063301-5)上。

有机半导体分子紧密有序的堆积模式对增强薄膜载流子传输十分重要,因此发展有效的、规模化的有机薄膜制备工艺来调控聚合物薄膜微结构特别是分子取向和堆积特性是改善半导体聚合物及其器件输运性能的主要手段。然而,目前报道的有机薄膜结构调控方法大多依赖于“接触式”的作用力,由于机械接触只能施加平行于衬底(面内)方向的诱导力,因此仅可实现面内方向上的结构调控,提高载流子沿衬底传输的有机场效应晶体管器件的性能,但对于载流子垂直于衬底(面外)方向传输的有机发光二极管和有机太阳能电池器件而言,传统机械接触的制膜方法因难以调控面外方向上分子取向而无法提升器件性能。

针对上述问题,研究团队利用强磁场这一非接触式手段来调控有机薄膜结构。通过采用旋转磁场(HR-HMF)的新策略,即在聚合物溶液涂布过程中施加水平方向的强磁。笔寡芬匝繁砻娣ㄏ呶嵩人傩。这一过程可以打破分子链骨架在空间取向上的磁能简并。该法成功将半导体聚合物P(NDI2OD-T2)面外方向上face-on堆积比例从无取向薄膜的72%提高到HR-HMF诱导薄膜的99.1%。同时发现由于近乎完美face-on分子堆积结构,载流子面外方向上迁移率提高了18(图a-b。该研究工作以“Out-of-Plane Alignment of Conjugated Semiconducting Polymers by Horizontal Rotation in a High Magnetic Field”为题发表在国际著名期刊The Journal of Physical Chemistry Letters,18新利登录为论文第一通讯单位,我院潘国兴副研究员为文章第一作者,中科院强磁场中心张发培、胡林研究员,中国科学技术大学陈乾旺教授为共同通讯作者。

另外,为解决强磁场下溶液涂布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,研究团队又首次提出了强磁场下的溶剂热退火(SVA-HMF)法,实现了P(NDI2OD-T2)大面积面内方向上高度取向的薄膜织构。不仅形貌和厚度均一性得到改善,而且薄膜中分子取向程度和薄膜的结构有序性显著地优于磁场下溶液涂布法制备的取向薄膜。同时取向薄膜迁移率子迁移率较未取向薄膜提高19倍,且迁移率各向异性高达125(图c。相关研究工作以“Solvent Vapor-Assisted Magnetic Manipulation of Molecular Orientation and Carrier Transport of Semiconducting Polymers”为题发表在ACS Applied Materials & Interface,18新利登录为论文第一通讯单位,潘国兴副研究员为文章第一作者。

同时,研究人员在半导体聚合物基体中添加微量(2 wt%)少层石墨烯纳米片,通过两相材料的复合,有效增强半导体聚合物对磁场的响应程度,显著提高通过SVA-HMF制备的聚合物薄膜的分子链取向程度(图d。相关研究工作以“Graphene assisting magnetic alignment of a high-performance semiconducting polymer for improved carrier transport”为题发表在Applied Physics Letters,中科院强磁场中心张发培研究员与我院潘国兴副研究员为文章共同通讯作者。

上述系列工作不但对深化认识有机材料在强磁诱导下的生长动力学机制和探索有机薄膜结构与器件性能间的内在关系具有指导性作用,还将磁场诱导法发展成一种方便有效的调控薄膜结构的手段,实现用磁场诱导来提高有机功能器件的载流子输运等性能。

    以上研究获得国家自然科学基金项目、国家重点研发项目和安徽省自然科学基金的支持。

图:(a) 旋转磁场(HR-HMF)诱导薄膜取向调控的示意图;(b) 旋转磁场下不同的生长时间制备的P(NDI2OD-T2)薄膜同步辐射镜面反射XRD 图;(c)强磁场下溶剂热退火(SVA-HMF)生长取向薄膜的过程示意图。(d) P(NDI2OD-T2)/石墨烯复合结构示意图


文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.1c00385

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c02749

https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/5.0006234


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