Advanced Materials:可操控的电荷传输——基于聚合物分子堆积取向的界面掺杂与电荷转移研究

共轭聚合物因其分子结构多样性、可溶液加工以及本征柔性等特点,在逻辑电路、电子皮肤、生物传感以及能源转换等领域显示了广泛的应用前景。该类材料靠分子间弱相互作用堆积,本征导电性差,可以通过外电场和化学掺杂增加其电荷传输性能。近期研究表明,分子堆积取向是决定聚合半导体电荷传输性能的重要因素,是有机电子学研究的重要方向之一。例如在有机场效应晶体管中,站立(edge-on)有利于链间有效的电荷传输,而平躺(face-on)的堆积方式可以调控载流子注入势垒,促进迁移率增加;对于有机太阳能给/受体异质结界面,当给体分子共轭骨架正对与受体的界面时,可以获得更高的电荷转移能和较低的非辐射重组,从而提高开路电压.

化学掺杂作为共轭聚合物电学性能调控的重要手段,报道的研究主要围绕掺杂剂分子结构设计和掺杂方式优化,而分子堆积对掺杂效果以及薄膜电学性能调控的研究相对有限。另一方面,界面掺杂可以高程度保持分子堆积结构,被认为是调控半导体薄膜电学性能的有效手段。因此系统揭示界面分子堆积取向对掺杂的影响将为有机电子器件电荷传输的精细调控打开新的思路。

中国科学院大学化学科学学院张凤娇与美国伊利诺伊大学化学与生物工程学院的刁莹课题组首次报道了聚合物分子堆积取向在界面掺杂诱导迁移率变化中的重要作用。结合形貌表征和电学性能的检测,研究人员发现当更多的分子共轭平面平行于衬底时,化学掺杂诱导的电荷转移复合物吸收峰更强,且费米能级移动加大。有意思的是,通过该掺杂处理促进OFETs迁移率的增加随着分子平躺堆积的比例线性增大。他们揭示聚合物薄膜内共轭骨架平躺排列时,p-共轭平面直接暴露于掺杂剂表面,形成更多的作用位点,促进本体分子与掺杂剂之间的电荷转移,并且在较低的掺杂浓度下即可形成有效掺杂。此外,研究者推测共轭骨架平躺的堆积取向还有利于垂直方向的电荷传输,这主要是因为垂直方向的p-p耦合。转移的电荷传输到导电沟道后,通过填充缺陷提高载流子传输迁移率。而当分子站立在衬底上时,掺杂剂与半导体之间的电荷转移效果弱,且长烷基链形成的“绝缘”效果阻碍电荷向下传输,所以难以有效地提高器件的迁移率。通过对分子堆积取向的优化,界面掺杂可以带来器件迁移率最大~5倍的变化。 上述结果表明通过调控有机聚合物共轭骨架的堆积取向可以从根本上控制表面化学掺杂的效果,进一步实现载流子传输的优化。研究者相信,此项研究将会为化学掺杂和有机半导体的光电性能研究提供新方法,促进有机电子器件拓展吸引人的功能应用研究。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202002823)上.