鮑哲南團隊 Adv. Mater.: 共軛碳環狀納米環作為本征可拉伸半導體聚合物的添加劑

【背景介紹】

如今，隨著柔性和可拉伸電子器件的需求日益增加，聚合物半導體近年來被廣泛的關注。其中，具有高遷移率、高拉伸性、低成本和溶液可加工性的聚合物半導體可能是下一代可拉伸電子的關鍵推動者。然而，由于有序的晶體形態有高的電荷運輸行為而非晶態和無序形態有高的拉伸性，從而使得高性能和可拉伸性往往不能同時兼備。因此，人們希望通過對聚合物半導體進行化學修飾以同時具備兩種性能。但是聚合物半導體的化學改性需要額外繁瑣的合成步驟，導致很難大規模生產。因此，對脆性半導體聚合物進行后聚合改性可能是一種可行的方法。雖然分子添加劑通常用于增強聚合物鏈的動態運動，從而改變聚合物的功能和物理性質，但是控制聚合物半導體薄膜的鏈動力學及其變化的基本機理仍然存在許多不清楚的地方。

【成果簡介】

最近，斯坦福大學的鮑哲南教授（通訊作者）團隊報道了利用環對亞苯基（CPPs）作為共軛分子添加劑調節基于二酮吡咯并吡咯（DPP-based）聚合物半導體的動態行為。由于增強的聚合物動態運動和降低的長程結晶順序，所以添加CPPs后導致基于DPP聚合物的可拉伸性的顯著改善而不會影響它們的遷移率。聚合物薄膜保持其纖維狀形態和短程有序聚集體以獲得高移動性。隨后使用CPPs/半導體復合材料為有源層的可拉伸晶體管，其在應變和重復施加的應變后保持高的遷移率。此外，CPPs還改善了完全可拉伸晶體管的接觸電阻和電荷傳輸。總之，結果表明控制聚合物半導體的動態運動是提高其拉伸性的一種有效方法。研究成果以題為“Conjugated Carbon Cyclic Nanorings as Additives for Intrinsically Stretchable Semiconducting Polymers”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、DPP-TT和[6]CPP的化學結構以及[6]CPP對[6]CPP/DPP-TT混合膜微觀結構影響的機理

圖二、有無[6]CPP的DPP-TT聚合物半導體物理性能和表征
（a）聚合物半導體薄膜的彈性模量和裂紋起始應變情況；

（b）半導體薄膜的場效應遷移率；

（c-d）純DPP-TT薄膜和5wt％[6]CPP/DPP-TT共混薄膜的玻璃化轉變溫度（T_g）；

（e）在Si晶片上制備的35 nm厚的純DPP-TT和5wt％[6]CPP/DPP-TT共混薄膜的掠入射X射線衍射（GIXD）圖像；

（f）計算兩種聚合物薄膜的相對結晶度（rDOC）。

圖三、有無[6]CPP的DPP-TT聚合物半導體的性能對比
（a）完全可拉伸晶體管器件的結構；

（b）使用傳輸線方法（TLM）測量完全可拉伸晶體管的接觸電阻；

（c）提出接觸改善的機理；

（d-e）在應變下和重復25％應變之后的完全可拉伸的裝置的遷移率。

【小結】

綜上所述，作者研究了共軛環[6]CPP添加劑對基于DPP的半導體機電性能的影響。結果表明，5 wt% [6]CPP能顯著提高DPP-TT的起裂應變（15%到105%）。[6]CPP在玻璃化轉變溫度降低時引起了半導體鏈的動態運動，顯著降低晶體結晶度顯，從而提高可拉伸性能而混合薄膜的流動性沒有變化。此外，[6]CPPs在性能調控方面的通用性是使用另外兩種基于DPP的半導體實現的。因此用優化的[6]CPP/DPP-TT半導體制備完全可拉伸晶體管。在應變和重復應變后，共混薄膜的流動性被顯著提高。同時，[6]CPP還可以改善完全可拉伸晶體管的接觸電阻而具有更高的初始移動性能。總之，實驗結果表明材料和工藝的合理改進將進一步改善本征可拉伸半導體的機電性能。

文獻鏈接：Conjugated Carbon Cyclic Nanorings as Additives for Intrinsically Stretchable Semiconducting Polymers（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201903912）

本文由CQR編譯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.