合肥工业大学张国兵副研究员、邱龙臻研究员课题组在空气中长期稳定传输的n-型聚合物薄膜晶体管取得进展
聚合物薄膜晶体管因在低成本柔性电子中潜在的应用而获得了广泛的关注，过去几年我们目睹了聚合物薄膜晶体管性能的快速提高，到目前为止，其P-型和n-型的迁移率都已经超过10 cm2V-1s-1. 众所周知，绝大多数的共轭聚合物都是p-型传输材料，n-型聚合物半导体材料无论在数量、性能以及稳定性等方面都还相对落后。而且，由于空气中水氧的存在，目前聚合物半导体材料基本都是在真空或惰性气体环境中，以及采用封装的策略来实现n-型传输。如何使聚合物半导体层在与空气接触的情况下，器件仍能实现并保持长期稳定的n-型传输特性是该领域面临的挑战。
合肥工业大学张国兵副研究员，邱龙臻研究员课题组通过引入杂原子，在聚合物给体单元和受体单元上分别引入氟和氮取代基，制备杂原子取代的共轭聚合物半导体材料，氟取代基不仅降低聚合物的能级，增加分子链的平面性，形成紧密的排列，而且具有疏水特性，有效阻隔空气中水氧的渗入。氮杂取代降低了材料的LUMO/HOMO能级，保证电子的有效注入和稳定传输，同时阻隔空穴的注入。未经任何封装的聚合物薄膜晶体管器件在空气中获得n-型传输，电子迁移率超过0.2 cm2V-1s-1，在60天的空气稳定性表征过程中，器件一直保持n-型传输，最终迁移率仍然超过0.1 cm2V-1s-1。
图1. 设计的聚合物结构，有机薄膜晶体管器件结构，以及器件的空气稳定性。
在此基础之上，课题组分别采用给体单元 (TVT), 弱的给体单元（TCNT）以及弱的联噻唑受体单元（TZ）与氮杂单元（BABDF）聚合，逐步降低共轭聚合物的LUMO/HOMO能级的方式来获得n-型传输。全受体共轭聚合物PBABDF-TZ具有超低的LUMO/HOMO能级（-4.28/-6.06 eV）,以PBABDF-TZ为半导体层的聚合物薄膜晶体管器件直接在空气中实现n-型传输，该器件在空气中放置一年以上，期间不间断测试，整个过程都没有出现空穴传输，一直保持纯n-型传输特性。该工作对空气稳定传输的n-型聚合物半导体材料的结构设计提供了新的思路。
图2. 通过调节聚合单元来逐步降低聚合物半导体材料能级，从而实现空气中长期的n-型传输。
以上相关成果分别发表在 Chemistry of Materials (2018, 30, 5451-5459.) 和Macromolecules (2018, 51, 5704-5712.)上。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.8b02359
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b00839
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