分子堆积引起的单极性与双极性传输性能的转变

有机半导体材料作为未来有机柔性电子学重要的组成部分,引起了人们的广泛关注。有机双极性有机半导体材料是一类特殊的材料,在一定的情况下既可以传输空穴也可以传输电子。双极性半导体材料在构筑有机柔性显示、逻辑互补电路等领域具有重要的应用价值。尽管近年来很多研究组致力于发展新型双极性半导体材料,但是相比于单极性半导体,双极性半导体材料的数目以及其结构和性能的关系的研究仍很有限,大多数有机半导体材料在实验中只观测到一种载流子的传输行为。在有机半导体材料的研究中,很多研究者都尝试通过改变有机半导体共轭骨架的烷基链取代来调节其传输性能。但是以往的研究都表明,改变有机共轭骨架上的烷基链的只会影响器件的迁移率而不改变其中载流子的类型。兰州大学的张浩力小组发现了一个特殊的案例:不同烷基链取代的s-苯并二茚并二噻吩-4,9-二酮衍生物既可以表现出单极性的传输行为,也可以出现双极性的传输行为。针对这一现象,他们结合理论计算进行了系统的实验研究,相关结果发表在Advanced Functional Materials上

半导体层的分子堆积对场效应晶体管器件的性能起着重要的作用,应用不同烷基取代是调控有机分子在固态堆积形式的有效方法。而该团队的工作首次揭示了烷基链在调控有机半导体材料中载流子类型方面的作用。对三个不同烷基取代的s-苯并二茚并二噻吩-4,9-二酮衍生物薄膜场效应测试结果表明:虽然它们具有相同的共轭骨架和相似的电子能级,但是乙基和十二烷基取代的衍生物表现出双极性传输行为,而己基取代的衍生物只表现出空穴(p-型)传输行为。通过对这三个化合物单晶结构以及薄膜XDR分析发现,由于烷基链的不同,它们具有不同的单晶结构以及不同的薄膜堆积形式。基于化合物的单晶迁移率计算结果显示,由于己基取代的化合物在薄膜中的特殊分子取向,使其理论空穴迁移率远大于电子迁移率,这正是实验中只能观测到p-型传输行为的原因。这一工作进一步说明了有机半导体的性能是由分子能级和堆积方式共同影响的,而通过调节共轭骨架的空间堆积与在薄膜中的取向,可以有效地调节其表现出单极性还是双极性的传输行为。该发现为设计新型有机半导体材料尤其是双极性有机半导体材料提供了新的思路。