共轭高分子电荷传输研究的新途径:拓扑聚合共轭高分子晶体

上世纪70年代导电聚合物的发现改变了人们对于高分子只能作为绝缘材料的传统认识,开启了塑料电子学和有机电子学研究的新领域。经过过去几十年学术界和工业界的不断努力,共轭高分子材料及其相关器件性能均获得了显著发展,然而受限于共轭高分子在常规研究薄膜中的高度无序及大量晶界、缺陷的存在,导致目前我们对于该类材料基本电荷传输性能的认识仍不清楚,而如何揭示其本征电荷传输性能、开展高分子材料结构与性能关系的研究仍面临巨大挑战。

单晶具有分子长程有序、无晶界和缺陷密度低的优势,被认为是用来揭示材料本征性能和实现高性能器件构筑的最佳载体。目前有机小分子半导体晶体及其性能研究已经取得了重要进展,但是,由于共轭高分子材料存在分子结构复杂、分子量呈现多分散性、分子链间易于缠结等特征,导致高质量共轭高分子晶体的获得极其困难,进而严重限制了这一领域的相关研究及发展。

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近期,中国科学院化学研究所董焕丽研究员、胡文平研究员和美国劳伦斯伯克利国家实验室T. P. Russell教授等在高质量共轭高分子晶体制备及其电荷传输研究方面取得重要突破。他们以丁二炔材料为例,利用物理气相传输和拓扑聚合相结合的技术,通过精心控制单体晶体生长过程及后续拓扑聚合条件,实现了线状和片状聚丁二炔微纳晶的制备,并通过大量结构表征手段证实基于该方法所获得高分子晶体相比于传统溶液组装方法具有更优异的结晶特性。进一步利用有机纳米线掩模技术,构筑了基于单个共轭高分子晶体的双沟道场效应晶体管器件,即沟道分别沿着和垂直共轭高分子链两个方向。测试结果表明,沿着共轭高分子链方向比垂直方向的载流子迁移率可以高出两个数量级之多,其最高载流子迁移率超过40 cm2V-1s-1。这是首次通过单个共轭高分子晶体实现高分子材料中不同堆积方向电荷传输各向异性的研究,证实高效利用共轭高分子链方向的电荷传输对于实现高性能高分子光电器件构筑的重要性。

另外,更为重要的是,此项研究将会为利用拓扑聚合实现高质量共轭高分子晶体的研究带来新希望,为新型二维共轭高分子晶体制备提供新策略,为高性能共轭高分子光电器件构筑提供新的材料体系。

本工作近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201701251 )上,第一作者为中国科学院化学研究所有机固体实验室的学生姚奕帆。