基于柔性无定型聚合物纳米线的高性能光开关

来自中科院化学所的占肖卫教授, 胡文平教授及其合作者设计合成了一种基于聚芴的D-A型共轭聚合物(PFTBT)。这种材料具有较好的光稳定性、空气稳定性和较宽的吸收光谱,是比较理想的光检测材料。他们的研究成果发表在最近一期的Small 

近年来,有机塑性电路的快速发展对器件的集成度要求越来越高。有机微纳器件作为塑性电路的重要组成部分,无论是器件工艺还是材料合成,人们都对其进行了深入研究。其中,基于有机半导体材料的光探测器和光开关引起了科研人员的广泛关注。许多有机小分子材料被应用于制备微纳尺度的光探测器件并展示优异性能。然而,基于共轭聚合物的微纳尺度光探测器发展相对缓慢。与有机小分子相比,共轭聚合物具有优异的溶液加工性能。部分共轭聚合物具有较宽的吸收光谱和较好的光稳定性,这就决定了其在光探测领域的潜在应用价值。另外,将共轭聚合物制备成纳米线,一方面保留了聚合物的宽光谱吸收性能,另一方面也增大了材料的比表面积,提高了聚集态结构的有序性,降低了结构的缺陷度。这些突出优点将有利于光生载流子的产生和传输,从而获得更好的光探测性能。

科学家们设计合成了一种基于聚芴的D-A型共轭聚合物(PFTBT)。首先采用模板浸渍法制备了大量的单根聚合物纳米线。这种方法简单易行,利于聚合物分子沿着模板孔壁缓慢自组装生长形成较强ππ堆积、有序的纳米结构。紫外可见吸收光谱表明聚合物纳米线的吸收比其薄膜态要宽,而且红移了40 nm。选区电子衍射表明该聚合物纳米线呈无定型态。这种无定型态保证了其应用于光电器件的可重复性。在大气环境中制备了基于单根聚合物纳米线的二极管器件,研究了聚合物纳米线的光导特性以及在光开关方面的应用。在大气环境中测试结果表明,单根纳米线的光响应度高达1700 mA W-1,在较低的驱动电压(40 V)和较弱光强(5.76 mW cm− 2)的白光下表现出优异的、高重复性的开关特性,开光比高达2000,这是基于聚合物纳米线光开关的最高值。有趣的是,这种聚合物纳米线光开关即使在很低驱动电压(2 V)和高弯曲度(90度)下仍能正常工作,开光比超过200,且重复性好。

这种柔性无定型聚合物纳米线易通过简单的溶液法规模制备,重复性好,且展示优异的光开关性能,他们预期这有可能用于构建微纳光电器件和柔性电路。