合肥研究院磁場誘導有機半導體生長研究獲進展

文章來源：合肥物質科學研究院    發布時間：2015-07-24  

近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究人員采用強磁場誘導手段，成功地實現了新型高性能半導體聚合物薄膜的結構調控并顯著提高其電荷傳輸能力，相關研究成果在學術期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上在線發表。

有效控制有機半導體薄膜中分子取向、堆積方式和結晶性等結構特性，對實現高性能場效應晶體管（OFET）和太陽電池等器件具有關鍵性的作用。有機分子(特別是pi共軛分子)具有很強的抗磁磁化率各向異性，使分子磁能大小強烈地依賴于分子軸與外磁場間的取向。在材料生長過程中強磁場可用來控制分子排列和取向以及生長模式，因此可成為控制材料結構和性能的一種干凈、普適性手段。目前已實現多種類液晶材料、一些簡單小分子和嵌段聚合物材料在強磁場下的取向生長。然而對于分子間相互作用強、結構有序度高的共軛分子和聚合物半導體，強磁場誘導生長和結構調控則異常困難，而這些材料通常具有高載流子遷移率和優異的光電特性。

強磁場科學中心研究員張發培課題組與合肥研究院固體物理研究所研究員戴建明課題組合作，解決了上述有機半導體薄膜的強磁場誘導生長和結構調控問題。通過發展新的強磁場下原位溶液凃布方法，在國際上首次實現了晶態和半晶態聚合物半導體薄膜的大面積宏觀擇優取向結構。通過綜合的微結構測量，發現強磁誘導導致新型高性能聚合物P(NDI2OD-T2)的分子鏈沿磁場方向高度取向。他們觀察了從不同有機溶劑中生長的P(NDI2OD-T2)薄膜取向度和有序度的變化，發現聚合物溶液中存在的分子聚集態（aggregate）與磁場的強相互作用誘發和決定了磁致取向生長的過程，提出了薄膜磁致取向生長的機制模型。研究人員還通過新穎的時間調制磁場技術，有效地控制了分子骨架的共軛平面在薄膜中的空間取向，顯著提高了P(NDI2OD-T2)分子間沿膜面法線方向的face-on 堆積有序度。利用強磁場生長的薄膜制備OFET器件，發現強磁誘導取向可顯著提高聚合物半導體的載流子遷移率（達4倍），并產生強的載流子遷移率各向異性。

P(NDI2OD-T2)是典型的“施主-受主”型聚合物，這類新型聚合物是目前有機電子學中最重要的材料之一，上述工作為探索進一步提高其光電性能提供了新途徑和重要線索，也為深化認識有機材料強磁誘導生長的動力學機制以及有機薄膜結構與性能間內在關系具有指導性作用。

強磁場（8T）下生長的P(NDI2OD-T2)薄膜的宏觀取向結構：(a) 極化光顯微圖；(b) In-plane掠入射X光衍射圖（GIXRD）