美国普渡大学Science 论文：极端温度稳定的聚合物半导体材料
电子器件的发明，极大地改变了人类的生活。但常见的电子设备如手机、电脑等，大多只能在一定的温度范围内工作（−40℃到80℃），超出这个范围就会出现故障。针对这一问题，普渡大学Aristide 等通过对材料体系设计，发展了一种可在极端温度下正常工作的聚合物半导体材料体系。根据他们在 Science上发表的结果，这一材料制备的场效应晶体管在220℃的温度下仍能保持性能稳定。
通过对材料体系的设计，他们将一种多晶共轭聚合物和一种高玻璃化转变温度的绝缘聚合物以合适的比例混合，制造出一种具有有序穿插网格结构的半导体/聚合物共混体系（图1），使其在极端的高温条件下，可以保持共轭聚合物分子堆积的稳定性，进而保证载流子的高温传输。实验结果表明，使用这种新型材料的薄膜晶体管器件，其空穴迁移率在从室温到220℃的范围内，稳定在2.0 cm2 / V·s左右（图2）。
图1. (A) 半导体聚合物P1绝缘聚合物PVK的化学结构式。（B）不同比例混合材料的AFM表征图。
图2. （A）在150℃温度下测量6个小时空穴迁移率；（B）加热1小时后的P1和P1/PVK晶体管器件的转移特性曲线；（C）高温对器件开关比以及（D）阈值电压的影响。
论文的第一作者，普渡大学化学系博士生Aristide Gumyusenge说：“在这个体系中，一种材料可以传输电荷，另一种材料可以承受高温。制备的关键是找到合适的材料比例，使得传输电荷的聚合物可以形成连续的、被高温稳定聚合物包裹的网格结构，保证其在高温下的电荷传输稳定性”。他们测试了几类半导体/绝缘聚合物，发现这一设计具有普适性（图3）。
图3.（A）代表性绝缘聚合物的分子结构和玻璃化转变温度； （B）基于纯P1以及P1混合物的场效应晶体管，在不同温度下的空穴传输空气稳定性；（C）代表性半导体聚合物的分子结构；（D）基于纯P2、P3以及其与PVK和PAC混合物的场效应晶体管在不同温度下的空穴迁移率变化；
普渡大学化工系Brett Savoie 博士认为：“电子器件在高温下不工作，是限制目前许多器件应用，如太阳能电池，晶体管和传感器等的主要问题之一。因此提升器件在高温下的稳定性，是有机电子领域必须要解决的难题，而这个发现是解决这一问题的好方法。”
论文合作者之一，复旦大学材料科学系赵岩研究员认为：“这个工作重要的不单单是这个材料体系在高温下能正常工作，而是其在一个很大的温度范围内保持性能稳定。这可以填补有机电子器件在极端温度工作环境，如汽车/飞机引擎、航空航天、钻井等环境下的应用。”以汽车、飞机为例，这些交通工具都装备有大量电子器件进行安全、环保以及能源消耗监控。但在工作状态的引擎及排气系统温度往往较高，使得现有的很多电子器件必须远离高温区域进行远程监控，并且温度的变化对传感的准确性有很强的影响。如果使用高温可工作，且性能稳定的电子器件，就可以贴近这些高温区域，获得更为直观准确的数据。这一研究结果对未来这一类器件的发展有重要影响（图4）。
图4.高温稳定的电子器件应用设想：太空环境中，太阳光照下温度会急剧增加，使得部分电子器件失效，高温稳定的电子器件在这类环境中有重要应用前景。
以上成果发表在 Science （Science 2018, 362, 1131.)上。
论文链接：
http://science.sciencemag.org/content/362/6419/1131
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