郭云龙：快速制备有序排列双极性聚合物分子半导体薄膜

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有机场效应晶体管（OFETs）具有质量轻、可弯曲和可大面积溶液加工等特点，在柔性电子学和可穿戴器件方面具有广阔的应用前景。其中聚合物半导体材料具有电学性能可调节、易于溶液法加工、成本低廉等优势，一直受到广泛关注。但是，聚合物相对分子质量较大，这使分子易于发生扭曲、折叠。同时，弱的分子间相互作用力使分子排列更加混乱。因此，溶液法制备的薄膜中往往存在大量的缺陷，使载流子迁移率难以提高。那么如何才能使聚合物分子整齐有序的排列呢？

最近，中国科学院化学研究所郭云龙研究员、刘云圻院士与天津大学胡文平教授合作利用与工业上roll-to-roll（卷对卷）兼容的bar-coating方法制备了分子排列整齐的取向聚合物半导体薄膜。涂布棒以120 mm/s的速度涂膜，可以仅用两秒的时间高效率的制备出A4纸大小的聚合物薄膜，薄膜厚度控制在11纳米。通过溶液溶度的调控，也可以制备出2纳米厚的单分子层薄膜。

涂膜过程中，缠绕在棒上金属线之间会产生均匀的切向力，是促使分子整齐排列的主要因素。移动速度越快，力越大。作者对比了不同移动速度下，半导体的薄膜形貌（图1c-f）。当涂膜速度为120 mm/s时，可以产生线型的取向一致的晶畴。并且通过2D-GIWAXS测试得到聚合物主链与晶畴的方向平行。当载流子传输方向与聚合物主链方向一致时，得到场效应晶体管器件的空穴迁移率为5.5 cm2V-1s-1，电子迁移率为4.5 cm2V-1s-1。器件的迁移率是spin-coating法制备的晶体管性能的9倍。

图1: a) Bar-coating 仪器设备图以及得到的A4大小薄膜；b) Bar-coating 制备PFIBI-BT分子有序排列示意图和分子式；c) spin-coating法制备的聚合物薄膜形貌；d-f) bar-coating法以不同速度制备的多层聚合物薄膜。 Scale bar: 2μm

该研究的最大意义在于，以快速的低成本的方式，制备大面积的有序聚合物半导体分子薄膜。既具有良好的器件性能，又与工业化生产兼容。

参考文献：

Y. Y. Jiang, J. Y. Chen, Y. L. Sun, Q. Y. Li, Z. X. Cai, J. Y. Li, Y. L. Guo,* W. P. Hu,* Y. Q. Liu,* Advanced Materials, 2018, ASAP,1805761.