image: (a) PITTI-BT的分子结构。(b) PITTI-BT薄膜的照片。(c) PITTI-BT的对二甲苯溶液。由(d–f)对二甲苯或(g–I)邻二氯苯溶液通过(d,g)中心和(e,f,h,I)偏心旋涂方法制备的聚合物薄膜的AFM图。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《国家科学评论》杂志在线发表了中科院化学所刘云圻院士、郭云龙研究员的研究成果，该研究团队报道了一种非氯溶剂可加工的高性能双极性半导体材料。双极性聚合物半导体在有机场效应晶体管、逻辑电路和有机发光晶体管等电子器件中有着广泛的应用。目前虽然已经报道了一些高性能的双极性聚合物，但是它们的光电子器件通常是用有毒的含氯溶剂加工的。为了实现有机电子器件的商业应用，该类材料应该是非氯溶剂可加工的。然而，大多数半导体聚合物几乎不溶于非氯溶剂。
该研究团队一直致力于开发非氯溶剂可加工的高性能双极性半导体聚合物。他们认为降低聚合物的分子量可能是一种增加聚合物在非氯溶剂中溶解度的有效方法。基于这个想法，他们设计了一种大摩尔质量的单体，合成了一种异靛蓝的聚合物(PITTI-BT)。该单体的摩尔质量较大（2203 g/mol）, 这可以减缓聚合反应速率并降低聚合物的分子量。结果表明，PITTI-BT的分子量较低（18.3 kDa）, 因而在含氯溶剂(邻二氯苯)和非氯溶剂(对二甲苯)中都具有较好的溶解度。
此外，为了提高OFET器件的性能，他们尝试利用简单的偏心旋涂方法探索制备PITTI-BT聚合物取向薄膜的可能性。紫外-可见吸收光谱表明，PITTI-BT在对二甲苯和邻二氯苯溶液中都可以形成预聚集，从而有利于固态取向聚合物薄膜的形成。原子力显微镜(AFM)表明从邻二氯苯和对二甲苯溶液制备的偏心旋涂薄膜实现了高度取向形貌。最后，他们配置了聚合物的对二甲苯溶液，使用偏心旋涂法制备了OFET器件。这些器件实现了创纪录的双极性性能，其空穴和电子迁移率分别为3.06和2.81 cm2 V−1 s−1。相比之下，使用传统的中心旋涂法制备的器件仅表现出为1.51和1.31 cm2 V−1 s−1的空穴和电子迁移率。非氯溶剂和取向工艺相结合，为实现高性能的双极性晶体管提供了一种有效且环保的方法。
研究详情请见原文：
A nonchlorinated solvent-processed polymer semiconductor for high-performance ambipolar transistors
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab145
Journal
National Science Review