张凤娇课题组与合作者在有机电子器件研究中的最新进展

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有机半导体（OSC）分子靠弱相互作用堆积，显示出丰富的光电性质。通过施加外电场或化学掺杂可以很大程度上调控其电学性质，促使该类材料在有机电子学中的应用探索取得了蓬勃发展。分子堆积取向是决定聚合半导体电荷传输性能的重要因素，是有机电子学研究的重要方向之一。溶液加工可以实现低成本大面的薄膜制备，但在共轭聚合物组装结构的精细调控中仍面临重大挑战，限制了OSC的电荷传输性能研究。

      我院张凤娇课题组与美国伊利诺伊大学香槟分校刁莹课题组通过溶液加工技术调控聚合物DPP-BTz共轭骨架的堆积取向，系统研究了聚合物分子堆积取向影响的界面掺杂作用与电荷传输性能，为有机电子器件应用研究提供了新策略。结合形貌表征和电学性能的检测，他们发现当更多的分子共轭平面平行于衬底时，化学掺杂诱导的电荷转移复合物吸收峰更强，且费米能级移动加大。有意思的是，通过该掺杂处理促进OFETs迁移率的增加随着分子平躺堆积的比例线性增大。他们揭示聚合物薄膜内共轭骨架平躺排列时，共轭平面直接暴露于掺杂剂表面，形成更多的作用位点，促进本体分子与掺杂剂之间的电荷转移，并且在较低的掺杂浓度下即可形成有效掺杂。此外，他们推测共轭骨架平躺的堆积取向还有利于垂直方向的电荷传输，这主要是因为垂直方向的耦合。转移的电荷传输到导电沟道后，通过填充缺陷提高载流子传输迁移率。而当分子站立在衬底上时，掺杂剂与半导体之间的电荷转移效果弱，且长烷基链形成的“绝缘”效果阻碍电荷向下传输，所以难以有效地提高器件的迁移率。通过对分子堆积取向的优化，界面掺杂可以带来器件迁移率最大5倍的变化。
      上述结果表明通过调控有机聚合物共轭骨架的堆积取向可以从根本上控制表面化学掺杂的效果，进一步实现载流子传输的优化。此项研究为化学掺杂和有机半导体的光电性能研究提供新方法，促进有机电子器件拓展吸引人的功能应用研究。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202002823)上。
      参考文献链接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002823


      文章来源：中国科学院大学
      张凤娇，中国科学院大学教授。2019年初加入国科大化学科学学院，入选2019年“中国科学院百人计划”人才项目。2015年7月毕业于中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室，获得理学博士学位；自2015年8月在美国伊利诺伊大学香槟分析化学与生物工程学院从事博士后工作。张凤娇博士与博后期间主要从事有机电子器件（有机场效应晶体管及有机热电）的制备、性能与应用研究，针对有机场效应晶体管中高性能器件构建与功能性研究中存在的科学问题，以分子构效关系、薄膜聚集态结构与功能导向器件构筑为主线，发展了器件制备与功能调控的新思路， 取得了系列研究成果。申请人至今共发表 sci论文 38篇， 其中第一作者发表论文9篇，包含nat. commun.，j. am. chem. soc.，adv. mater. 3篇以及 adv. funct. mater.等期刊论文。目前课题组主要研究领域为有机生物电子学，围绕功能性有机电子器件的设计与构筑、多功能性质机制深入探究以及拓展应用研究。