刘云圻、郭云龙课题组在高稳定性聚合物FET研究方面取得进展

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有机场效应晶体管(OFET)作为有机电子电路的基本构筑单元，已经在柔性显示驱动、电子皮肤以及电子标签等领域展现了巨大的应用潜力。在这一研究过程中，如何引入新的设计理念，调控分子溶液的预聚集状态以及分子薄膜的组装行为，以获得高迁移率、高稳定的有机高分子材料和OFET器件一直是研究人员追求的目标。  

图  分子取向加工过程、器件结构和迁移率随温度变化结果　　  

　　在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学所有机固体实验室郭云龙研究员和刘云圻院士与天津大学胡文平教授合作，基于优异的分子结构设计，利用线棒涂膜方法，调控聚合物分子的取向组装，制备了A4尺寸的取向组装聚合物半导体薄膜。当载流子传输方向与聚合物主链方向一致时，基于该薄膜的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，该器件的迁移率是旋涂法制备的晶体管性能的9倍（Adv. Mater. 2019, 31, 1805761）。
　　最近，他们发现添加聚丙烯腈（PAN）不仅可以调控分子的预聚集状态，还提高了聚合物溶液的可加工性。他们进一步结合棒涂法，制备了高度结晶和缺陷较少的聚合物分子薄膜。基于该薄膜的OFET器件，沿着晶畴取向方向的电子迁移率提升到5–6 cm2V–1s–1，相比于旋涂法制备的薄膜FET性能（迁移率0.1–0.2 cm2V–1s–1）有了很大提升。该器件在零下80摄氏度到200摄氏度表现出了出色的冷–热稳定性，极大拓展了OFET在不同环境条件下的应用，也打破了人们对电子传输型聚合物FET器件不稳定的传统认识。相关研究结果发表在近期的Chem 上（2021, 7, 1258-1270）。论文第一作者为姜莹莹博士，通讯作者为郭云龙研究员、胡文平教授和刘云圻院士。
         文章来源：化学所
        刘云圻研究员，中国科学院院士，第三世界科学院院士。物理化学家，1949年2月生于江苏省靖江市。 1975年毕业于南京大学化学系，1991年在日本东京工业大学获博士学位。长期从事分子材料与器件的研究。总结发展了高性能分子材料的设计思想和提出了性能调控的新方法。证实了扩展π体系是实现高迁移率的重要途径，合成了具有优异光电性能的新型π共轭分子材料。首次提出了液态铜催化剂生长石墨烯的概念，获得了高质量单晶石墨烯；制备了第一个氮掺杂的石墨烯，实现了对石墨烯电学性能的调控；开拓了在介电层上直接生长石墨烯的新方法。揭示了界面对器件性能的影响规律，开发了新的溶液法加工技术，实现了器件的多功能化。发表SCI论文500余篇(其中130余篇发表在影响因子大于10的期刊上)，他人引用2万余次，h因子大于80，获授权中国发明专利70项，出版专著一部及19章节，在国内外学术会议上做大会/邀请报告100余次。2007，2016年获国家自然科学二等奖各一项，2017年度获北京市自然科学一等奖。2014, 2015和2016年入选汤森路透全球"高被引科学家"目录。现为科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）重大科学前沿领域第四届专家咨询组副组长、中国化学会理事、有机固体专业委员会副主任，和担任Scientific Reports, Nanoscale, Flexible Printed Electronics等6种期刊的编委/顾问委员会成员。
        郭云龙，中国科学院化学研究所有机固体实验室研究员。北京市科技新星（2018）；中国科学院青年创新促进会（2012）；中国科学院优秀博士学位论文（2011）；中国科学院院长优秀奖（2010）目前发表Adv. Mater.;JACS等论文132篇，引用大于6700次。2017年应邀为Adv. Electron. Mater.国际编委会成员。
       胡文平，天津大学理学院教授，天津市分子光电科学重点实验室主任。2003年入选科学院“百人计划”，2007年获国家杰出青年科学基金，2014年被评为教育部长江学者特聘教授，2016年任天津大学副校长。主要从事有机场效应材料与器件的研究，在国内率先开展了有机场效应晶体管的研究，在国际上率先开展了有机半导体微纳晶场效应晶体管、光控晶体管、p-n异质结、有机半导体二维晶体及有机半导体共晶的研究，建立和推动了有机半导体微纳晶电子学新领域，引领了国际高迁移率有机半导体材料的发展。发表SCI论文500余篇， 其中IF>10的150余篇，包括J. Am. Chem. Soc. (25篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (16篇)、Adv. Mater. (76篇)，Nature(1篇)等。2016年荣获国家自然科学二等奖。