柔性电子:超分子自封装策略构筑高效稳定性宽带隙蓝光聚合物半导体及其柔性发光器件

柔性发光光电子器件,可用于穿戴电子、电子皮肤以及生物智能设备,成为学术界和工业界研究的重点。相比于目前高效稳定的窄带隙红光和绿光聚合物,聚合物蓝光半导体由于结构性高能吸收、可组装性易聚集以及化学物理不稳定,导致发光光谱不稳定、发光量子效率降低以及器件性能重复性差、工作寿命短,成为限制聚合物发光半导体应用于信息显示和固体照明的重要瓶颈。作为最具实际应用潜力的宽带隙发光聚合物,聚芴半导体,由于本身的深蓝光、高荧光效率、易修饰等优点,被广泛应用于发光光电子器件。与其它发光聚合物类似,传统结构的聚芴半导体在加工和后处理过程中同样呈现复杂的链构象行为和多相态转变特性,易诱导薄膜中微纳区域呈现各异的凝聚态结构,产生不稳定性的光电物理过程,降低器件的发光性能和稳定性。

基于前期光电高分子凝聚态结构研究的基础上,受器件封装抑制器件间串联和阻断水氧的启发,南京工业大学海外人才缓冲基地黄维院士(现为西北工业大学常务副校长、柔性电子研究院学科带头人,共同通讯作者)和林进义副教授(第一作者)研究小组提出一种全新的分子设计方法:超分子自封装策略是构筑高性能发光共轭聚合物的重要方法,提出超分子塑料电子学(Supramolecular Plastic Electronic),制备一系列高效稳定的宽带隙聚芴半导体材料。通过在芴4位侧基引入具有载流子传输的稠环基团,借助精准的分子组装,在发光主链周围形成稠环封装层,链间形成一道有效的位阻型隔离层,有效抑制分子链间的聚集作用和π-π电子耦合作用。同时,侧基稠环间的π-π堆积作用可以在封装层内部有效促进载流子的迁移,为主链间的载流子传输提供“中间媒介”,实现载流子在主链共轭骨架内部和主链间的二维载流子传输。因此,稠环封装层在有效抑制主链间作用的前提下可以有效提高固态薄膜的载流子迁移。基于该设计理念,论文中构筑了一类超稳定蓝光聚合物半导体,旋涂薄膜的发光特性呈现微弱的薄膜厚度依赖特性,在60-200 nm厚度变化均呈现良好的光谱稳定性,因此,通过刮涂的溶液加工方法构筑了大面积、均匀发光的柔性薄膜(30×20 cm);瞬态吸收谱证明了稠环封端型发光聚合物在薄膜状态下呈现明显的单分子激发态发光特性,证明了超分子自封装策略的有效性。与此同时,该发光薄膜在光水氧长时间作用下,并未发现明显的绿光带发射产生,证明分子自封装策略可有效提高半导体的发光稳定性。因此,基于该半导体的发光薄膜,实现了2.56 cd/A和半峰宽为32 nm的深蓝光发光器件。在此基础上。以PEDOT:PSS为电极,构筑一类高性能、大面积的柔性深蓝光发光器件,电流效率达到1.73 cd/A。与前期人们发现电致光谱的薄膜依赖性不同的是,论文中设计中聚芴半导体的电致光谱并不存在明显的膜厚依赖特征,为后期通过溶液加工实现大规模的器件制备提供可能。此外,相关工作正在有序的开展,也取得一系列有意思的现象,证明了超分子自封装策略的有效性,是一类普适性分子设计理念。

相关工作近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201804811)。英国牛津大学Donal Bradley教授和南京邮电大学解令海教授是本论文共同通讯作者。