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共軛聚合物的多級組裝及其電子學器件的研究

共軛聚合物因其柔性、可溶液加工、低成本等優(yōu)點，在柔性顯示、電子皮膚和生物傳感等功能器件中有潛在的應(yīng)用價值。高均勻性的大面積加工是共軛聚合物作為有機半導體材料向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化的重要一步，但具有很強的挑戰(zhàn)性。由于共軛聚合物的分子間強相互作用和復(fù)雜的鏈纏結(jié)，溶液加工過程中往往產(chǎn)生結(jié)晶與無定形區(qū)域、排列缺陷、厚度變化等非均勻性現(xiàn)象，限制了共軛聚合物的大面積加工。即使在稀溶液中，共軛聚合物分子之間仍具有一定程度的聚集。因此，如何通過調(diào)控聚合物從溶液到固相薄膜的聚集行為和組裝過程，從而實現(xiàn)共軛聚合物的大面積加工，并進一步實現(xiàn)“從下而上”器件加工方式，成為了很有挑戰(zhàn)性的科學問題。本研究實現(xiàn)了聚合物單分子薄膜大面積加工，并獲得了優(yōu)異的電子傳輸性能，有望應(yīng)用于加工制備大面積、高性能的有機場效應(yīng)晶體管。共軛聚合物由于分子之間的π?π相互作用和鏈段纏結(jié)，在溶液中形成了特征的1D蠕蟲狀組裝結(jié)構(gòu)，組裝體在溶液加工過程中進一步的生長，形成了網(wǎng)絡(luò)狀組裝結(jié)構(gòu)，最終通過沉積方法可以在基底上形成2D聚合物單分子層網(wǎng)絡(luò)（圖1）。研究人員首先通過混合溶劑策略調(diào)控氟代苯并二呋喃二酮（F4BDOPV）片段與聯(lián)二噻吩（2T）片段形成的共軛聚合物（F4BDOPV-2T）在溶液中組裝行為，并通過垂直提拉法表征了沉積薄膜的形貌。原子力顯微鏡（AFM）高度圖表明在氯仿溶液中沉積得到的薄膜具有特征的網(wǎng)絡(luò)狀形貌，且厚度在很大的實驗加工窗口內(nèi)均保持聚合物單分子層量級（約4 nm）。薄膜吸收光譜、AFM高度以及掠入射X射線散射證明了聚合物單分子層的厚度，且表明單分子層的形成具有寬的加工窗口。聚合物單分子層的形成與基底的性質(zhì)關(guān)系較小，在具有不同接觸角的基底均可以沉積得到聚合物單分子層網(wǎng)絡(luò)。寬的加工窗口和弱的基底相關(guān)性非常有利于加工大面積和高均勻性的聚合物薄膜。

北京大學 2021-04-11

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