斯坦福大学鲍哲南院士团队《Nat.Commun.》:如橡皮筋般的可逆弹性多功能有机半导体
有机电子学材料经过数十年的发展,已经成为现今消费者电子产品以及未来可穿戴电子器件、生物医疗器件等领域中必不可少的一部分。最知名的商业应用场景莫过于可折叠式柔性显示屏中的OLED,如众多厂商近期推出的折叠式手机。这些柔性器件应用场景的实现部分得益于有机半导体材料的“柔性”;当然,这点完全是相对于硅基或其他纯无机半导体的“硬性”而言的。
除了最基础的“柔性”,更进一步的,目前新兴的可穿戴电子器件、电子皮肤等领域甚至要求器件的“可拉伸性”, 即在一定形变下仍能维持优异的电学性能。然而简单的高分子半导体(无论是以P3HT为代表的第二代,还是以DPPTT或N2200等为代表的第三代)并不足以满足这些真实应用场景下的“可拉伸性”,所以领域内的学者们尤其是化学家们都在致力于从分子设计的角度得到真正可拉伸的高分子半导体。
目前来说,已经有很多关于提升高分子半导体“可拉伸性”的报道,所以得到简单的“可拉伸”或者说“橡皮泥一般的不可逆拉伸性”的高分子半导体已经不是难事;但是几乎没有有机高分子半导体能实现真正的“如橡皮筋一般的、高度可逆、能长期循环的弹性”,更不用说同时再将抗溶剂性、光图案化、可量产、廉价性等优良性能全部集成到高分子半导体中,得到多功能化的有机半导体层。而上述的这些性质,则是真实大规模生产工况以及用户使用条件下所必备的。
(1)柔性的聚1,3-丁二烯前驱体骨架提供了整体基质弹性,并且与高分子半导体的表面能高度匹配,从而能与高分子半导体以任意比例混溶、交联而不出现大尺度相分离;
(2)叠氮官能团能与聚1,3-丁二烯骨架中剩余的C=C双键环加成,从而形成高度可逆弹性的基质(如橡皮筋或者交联橡胶一般);
(3)叠氮官能团还能与高分子半导体侧链的C-H单键反应,从而固定高分子半导体从而使其抗溶剂、可图案化;
(4)叠氮与C=C双键环加成的反应速度是与C-H单键反应的7倍,从而叠氮并不会过度破坏高分子半导体的堆积结构与电荷传输,在实现上述的各种多功能的同时,完美保持了高分子半导体应有的性能(>1 cm2V-1 s-1的迁移率)。
目前该工作以“A molecular design approach towards elastic and multifunctional polymer electronics.”为题发表在Nat. Commun.上,文章从分子设计开始到构效关系表征再到最终器件进行了极其详实的研究,并且申请了一项美国专利。斯坦福大学博士生Yu Zheng (郑玉)和Zhiao Yu(俞之奡)为共同第一作者,Zhenan Bao(鲍哲南)教授为通讯作者;牛津大学Iain McCulloch课题组、斯坦福大学Jian Qin(秦健)课题组、南密西西比大学Xiaodan Gu(顾晓丹)课题组等参与了此工作。
图4:以硅片为基底的iRUM半导体光图案化器件性能、iRUM介电层的可光图案化性与力学性能、弹性场效应晶体管阵列在拉伸循环过程中的电子学性能。
在本工作中,作者使用了一系列可原位形成弹性体基质的前驱体,用于作为普通DPPTT高分子半导体或SEBS介电层材料的基质,通过加热或者紫外光引发交联,实现了高迁移率维持、可逆弹性、抗溶剂、光图案化、可量产、廉价性等优良性能的集成于一体。该工作从分子设计角度真正提出了从“柔性可拉伸半导体”向“可逆弹性多功能半导体”的转变,为高分子半导体向真正实用、符合消费者需求的商业化提供了一种可能。更多详实的研究和交叉映证的表征,请详见本文的Supplementary Information。
原文链接:
Zheng, Y., Yu, Z. et al. A molecular design approach towards elastic and multifunctional polymer electronics. Nat. Commun. (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25719-9
来源:材料人
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