裴堅課題組在共軛聚合物的多級組裝及其電子學(xué)器件中取得系列進展
共軛聚合物因其柔性、可溶液加工、低成本等優(yōu)點，在柔性顯示、電子皮膚和生物傳感等功能器件中有潛在的應(yīng)用價值。高均勻性的大面積加工是共軛聚合物作為有機半導(dǎo)體材料向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化的重要一步，但具有很強的挑戰(zhàn)性。由于共軛聚合物的分子間強相互作用和復(fù)雜的鏈纏結(jié)，溶液加工過程中往往產(chǎn)生結(jié)晶與無定形區(qū)域、排列缺陷、厚度變化等非均勻性現(xiàn)象，限制了共軛聚合物的大面積加工。即使在稀溶液中，共軛聚合物分子之間仍具有一定程度的聚集。因此，如何通過調(diào)控聚合物從溶液到固相薄膜的聚集行為和組裝過程，從而實現(xiàn)共軛聚合物的大面積加工，并進一步實現(xiàn)“從下而上”器件加工方式，成為了很有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅課題組利用共軛聚合物的多級組裝策略（圖1）實現(xiàn)了聚合物單分子薄膜大面積加工，并獲得了優(yōu)異的電子傳輸性能，有望應(yīng)用于加工制備大面積、高性能的有機場效應(yīng)晶體管。
圖1 共軛聚合物的多級組裝
共軛聚合物由于分子之間的π−π相互作用和鏈段纏結(jié)，在溶液中形成了特征的1D蠕蟲狀組裝結(jié)構(gòu)，組裝體在溶液加工過程中進一步的生長，形成了網(wǎng)絡(luò)狀組裝結(jié)構(gòu)，最終通過沉積方法可以在基底上形成2D聚合物單分子層網(wǎng)絡(luò)（圖1）。研究人員首先通過混合溶劑策略調(diào)控氟代苯并二呋喃二酮（F4BDOPV）片段與聯(lián)二噻吩（2T）片段形成的共軛聚合物（F4BDOPV-2T）在溶液中組裝行為，并通過垂直提拉法表征了沉積薄膜的形貌。原子力顯微鏡（AFM）高度圖表明在氯仿溶液中沉積得到的薄膜具有特征的網(wǎng)絡(luò)狀形貌，且厚度在很大的實驗加工窗口內(nèi)均保持聚合物單分子層量級（約4 nm）。薄膜吸收光譜、AFM高度以及掠入射X射線散射證明了聚合物單分子層的厚度，且表明單分子層的形成具有寬的加工窗口。聚合物單分子層的形成與基底的性質(zhì)關(guān)系較小，在具有不同接觸角的基底均可以沉積得到聚合物單分子層網(wǎng)絡(luò)。寬的加工窗口和弱的基底相關(guān)性非常有利于加工大面積和高均勻性的聚合物薄膜。
圖2 聚合物單分子層場效應(yīng)晶體管的器件性能表征。
裴堅課題組利用共軛聚合物的多級組裝策略，在4英寸晶圓上加工了聚合物單分子層網(wǎng)絡(luò)，薄膜形貌、高度與器件性能均表現(xiàn)出了很好的均勻性?；诰酆衔飭畏肿颖∧さ膱鲂?yīng)晶體管在空氣下表現(xiàn)出穩(wěn)定的電子傳輸性能（圖2）。相比于傳統(tǒng)的旋涂薄膜（18 nm），聚合物單分子層（4 nm）保持了相似的電子傳輸性能，最高電子遷移率可達1.88 cm−2 V−1 s−1，是目前報道中聚合物單分子層最高的電子遷移率。隨后，他們結(jié)合了多種實驗手段觀測到聚合物在稀溶液中的一維蠕蟲狀組裝結(jié)構(gòu)。隨著濃度的提高，聚合物的組裝體逐漸生長為網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)并沉積在基底上（圖1）。
此工作利用共軛聚合物的多級組裝策略形成特定的聚合物固相形貌，為相關(guān)科研工作者提供了清晰明確的“分子間相互作用—溶液相組裝結(jié)構(gòu)—薄膜微觀結(jié)構(gòu)—功能器件性能”的研究策略。他們獲得的聚合物單分子層表現(xiàn)出優(yōu)異的電荷傳輸性能，有望應(yīng)用于加工制備大面積的高性能聚合物集成電路。
該研究工作發(fā)表在材料與工程科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Advanced Materials》上，論文的第一作者為化學(xué)學(xué)院博士研究生姚澤凡，化學(xué)院裴堅教授與工學(xué)院雷霆研究員為共同通訊作者。在過去幾年中，他們在共軛聚合物的多級組裝及其電子學(xué)應(yīng)用中取得了一系列進展，這些研究成果發(fā)表于Advanced Materials, 2018, 1806747; Advanced Materials, 2017, 29, 1701072; 高分子學(xué)報, 2019, 50, 1.
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201806747
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