张德清课题组在光调控有机高分子半导体性能研究方面取得系列进展

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基于有机高分子半导体的场效应晶体管具有柔性、价廉、质轻、可大面积制备等优势，可广泛应用于物联网智能电子器件及生物可穿戴器件等领域，近年来得到了广泛的研究与关注。为此，人们研究了一系列高性能的p-型，n-型和双极性有机高分子半导体。与此同时，具有多种功能以及性能可调的有机半导体场效应器件也得到了越来越多的重视。这些多功能场效应器件通常使用对特定外场刺激具有响应的有机小分子及聚合物材料，从而在特定外场刺激下实现场效应性能的调控。

　　光作为清洁、易得的远程调控手段，受到了研究者的青睐。光调控场效应晶体管是指使用光作为外场刺激手段，构建器件性能可调控的晶体管，通常通过引入光致变色分子的策略来实现，大多采用物理掺杂方法，存在着相分离、稳定性等问题。

　　在国家自然科学基金委和中国科学院的支持下，化学所有机固体实验室张德清课题组首次将偶氮苯基团引入有机高分子半导体的侧链，发现可以通过紫外、可见光照可逆调控半导体薄膜的结晶性，进而可逆调控其半导体性能，并表现出光响应速度快和器件稳定性好的优点（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807176.）。在此基础上，他们进一步设计合成了侧链含有吡唑偶氮苯单元(pAzo)的共轭给受体聚合物 PDPYA，协同使用纳米粒子 NaYF4:Yb,Tm 的上转换效应和共轭骨架的光热效应，成功构建了近红外光（980/808 nm）可逆调控的有机场效应晶体管，并表现出更优异的光稳定性，器件电流在经过100次循环光照后，无明显衰减。除此之外，由于顺式构型的吡唑偶氮苯具有较高稳定性，该器件在 980 nm 光照射后，器件性能可以在暗处稳定保持长达120天。这些优点使得该体系在记忆器件等方面具有潜在的应用价值(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 13844-13851.)。

　　他们进一步在有机高分子半导体侧链中引入了两种不同结构的偶氮苯基团，即吡唑偶氮苯（pAzo）和tetra-ortho-methoxy-substituted azobenzene (mAzo)，设计合成了有机高分子半导体POMPYA，成功实现了通过560 nm、365 nm、470 nm三种波长光照对基于POMPYA薄膜的场效应晶体管器件性能的可逆调控，并可依次达到三重稳定的电导态。其原理如下：mAzo的可逆顺反异构化可以通过560nm、365 nm、470 nm的光照进行；pAzo的反式到顺式的转化可以通过365 nm光照进行，而560 nm光照不能驱动顺反异构化反应。因此，两种偶氮苯基团（mAzo和pAzo）的反式到顺式异构化可以通过560 nm和365 nm的光照依次引发。GIWAXS数据分析表明mAzo及pAzo的顺反异构可以调节POMPYA薄膜的结晶性。最终，基于POMPYA薄膜的场效应器件的性能可通过560 nm、365 nm和470 nm光照下的mAzo及pAzo依次顺反异构化来进行可逆调控，从而依次达到三重稳定的导电状态，而且三种状态间可以通过特定波长的光照进行可逆转换。通过使用560 nm、365 nm 和470 nm光照作为输入信号，器件电流IDS作为输出信号，器件电流IDS随光照的变化可以模拟三值逻辑门的功能，为构建光调控的多重稳态有机场效应晶体管提供了新的思路 (Adv. Mater. 2021, DOI: 10.1002/adma.202005613)。

         文章来源：化学所
         张德清，中国科学院化学研究所研究员。1996年10月在德国海德堡大学获得自然科学博士学位，同年回到中国科学院化学研究所工作。现任化学所研究员、博士生导师，中国科学院有机固体重点实验室副主任，中国科学院化学研究所所长。从事功能分子的设计、合成、组装及其性质的研究，在包括四硫富瓦烯衍生物等光电功能分子的设计、合成，及其在新型分子开关、逻辑器件以及化学／生物传感器方面应用，磁性LB膜的研究等方面取得许多有重要创新意义的研究结果。