鲍哲南团队 Adv. Mater.: 共轭碳环状纳米环作为本征可拉伸半导体聚合物的添加剂

【背景介绍】

如今，随着柔性和可拉伸电子器件的需求日益增加，聚合物半导体近年来被广泛的关注。其中，具有高迁移率、高拉伸性、低成本和溶液可加工性的聚合物半导体可能是下一代可拉伸电子的关键推动者。然而，由于有序的晶体形态有高的电荷运输行为而非晶态和无序形态有高的拉伸性，从而使得高性能和可拉伸性往往不能同时兼备。因此，人们希望通过对聚合物半导体进行化学修饰以同时具备两种性能。但是聚合物半导体的化学改性需要额外繁琐的合成步骤，导致很难大规模生产。因此，对脆性半导体聚合物进行后聚合改性可能是一种可行的方法。虽然分子添加剂通常用于增强聚合物链的动态运动，从而改变聚合物的功能和物理性质，但是控制聚合物半导体薄膜的链动力学及其变化的基本机理仍然存在许多不清楚的地方。

【成果简介】

最近，斯坦福大学的鲍哲南教授（通讯作者）团队报道了利用环对亚苯基（CPPs）作为共轭分子添加剂调节基于二酮吡咯并吡咯（DPP-based）聚合物半导体的动态行为。由于增强的聚合物动态运动和降低的长程结晶顺序，所以添加CPPs后导致基于DPP聚合物的可拉伸性的显着改善而不会影响它们的迁移率。聚合物薄膜保持其纤维状形态和短程有序聚集体以获得高移动性。随后使用CPPs/半导体复合材料为有源层的可拉伸晶体管，其在应变和重复施加的应变后保持高的迁移率。此外，CPPs还改善了完全可拉伸晶体管的接触电阻和电荷传输。总之，结果表明控制聚合物半导体的动态运动是提高其拉伸性的一种有效方法。研究成果以题为“Conjugated Carbon Cyclic Nanorings as Additives for Intrinsically Stretchable Semiconducting Polymers”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、DPP-TT和[6]CPP的化学结构以及[6]CPP对[6]CPP/DPP-TT混合膜微观结构影响的机理

图二、有无[6]CPP的DPP-TT聚合物半导体物理性能和表征
（a）聚合物半导体薄膜的弹性模量和裂纹起始应变情况；

（b）半导体薄膜的场效应迁移率；

（c-d）纯DPP-TT薄膜和5wt％[6]CPP/DPP-TT共混薄膜的玻璃化转变温度（T_g）；

（e）在Si晶片上制备的35 nm厚的纯DPP-TT和5wt％[6]CPP/DPP-TT共混薄膜的掠入射X射线衍射（GIXD）图像；

（f）计算两种聚合物薄膜的相对结晶度（rDOC）。

图三、有无[6]CPP的DPP-TT聚合物半导体的性能对比
（a）完全可拉伸晶体管器件的结构；

（b）使用传输线方法（TLM）测量完全可拉伸晶体管的接触电阻；

（c）提出接触改善的机理；

（d-e）在应变下和重复25％应变之后的完全可拉伸的装置的迁移率。

【小结】

综上所述，作者研究了共轭环[6]CPP添加剂对基于DPP的半导体机电性能的影响。结果表明，5 wt% [6]CPP能显著提高DPP-TT的起裂应变（15%到105%）。[6]CPP在玻璃化转变温度降低时引起了半导体链的动态运动，显著降低晶体结晶度显，从而提高可拉伸性能而混合薄膜的流动性没有变化。此外，[6]CPPs在性能调控方面的通用性是使用另外两种基于DPP的半导体实现的。因此用优化的[6]CPP/DPP-TT半导体制备完全可拉伸晶体管。在应变和重复应变后，共混薄膜的流动性被显著提高。同时，[6]CPP还可以改善完全可拉伸晶体管的接触电阻而具有更高的初始移动性能。总之，实验结果表明材料和工艺的合理改进将进一步改善本征可拉伸半导体的机电性能。

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

本文由CQR编译。

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