近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心張發(fā)培研究團(tuán)隊(duì)提出強(qiáng)磁場誘導(dǎo)有機(jī)材料生長的新策略，實(shí)現(xiàn)高性能半導(dǎo)體聚合物薄膜的結(jié)構(gòu)調(diào)控并提高其電荷傳輸能力，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在ACS Applied Materials & Interface、Journal of Materials Chemistry C和Applied Physics Letters上。
 

　　有效控制有機(jī)半導(dǎo)體薄膜中分子取向和薄膜有序性，有利于實(shí)現(xiàn)高性能有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)和太陽電池等器件。發(fā)展高效、高普適性的溶液相成膜技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目的的重要途徑。利用磁場來誘導(dǎo)薄膜在宏觀尺度上的分子取向，可作為直接、“干凈”手段生長大面積取向的有機(jī)薄膜，這引起學(xué)界重視。該課題組在此前研究中，采用強(qiáng)磁場下溶液涂布方法，首次實(shí)現(xiàn)多種晶態(tài)(和半晶態(tài))半導(dǎo)體聚合物薄膜結(jié)構(gòu)和載流子傳輸特性的控制，提出其薄膜的磁致取向生長機(jī)制(Adv. Funct. Mater. 2015，25，5126)。但該方法制備的有機(jī)薄膜存在形貌和厚度均勻性差、膜厚不可控等問題，影響薄膜器件光電性能的可重復(fù)性。
 

　　針對上述問題，張發(fā)培研究團(tuán)隊(duì)首次提出強(qiáng)磁場下的溶劑蒸汽退火(SVA-HMF)的新策略。研究人員通過溶液旋涂來沉積厚度均勻的“濕膜”，將其置于含有飽和有機(jī)溶劑的密閉容器中、在強(qiáng)磁場下進(jìn)行“退火”處理，獲得給體-受體(D-A)型共聚物P(NDI2OD-T2)薄膜的大面積(厘米尺度)、高度取向的薄膜織構(gòu)。科研人員通過微結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，制備的聚合物薄膜的形貌和厚度均勻性得到改善，聚合物骨架鏈取向程度和薄膜結(jié)晶性優(yōu)于溶液涂布法制備的薄膜(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020，12，29487)；通過研究SVA-HMF條件對薄膜結(jié)構(gòu)和形貌的影響，研究人員提出強(qiáng)磁誘導(dǎo)溶劑退火調(diào)控聚合物薄膜結(jié)構(gòu)的動力學(xué)機(jī)制；通過制備OFET器件發(fā)現(xiàn)，以P(NDI2OD-T2)取向薄膜制備的器件遷移率各向異性達(dá)102，其電子遷移率較未取向薄膜制備的器件提高1個量級以上。
 

　　此外，對于另一種分子結(jié)構(gòu)迥異的D-A共聚物PDPP2TBT，SVA-HMF方法也可實(shí)現(xiàn)大面積高度取向的薄膜，這表明該方法在調(diào)控半導(dǎo)體聚合物薄膜結(jié)構(gòu)上具有普適性。磁致取向的PDPP2TBT薄膜呈現(xiàn)高達(dá)1.56 cm2/Vs的空穴遷移率(J. Mater. Chem. C 2020，8，4477)。研究人員通過測量變溫的載流子遷移率發(fā)現(xiàn)，P(NDI2OD-T2)和PDPP2TBT取向薄膜中載流子跳躍運(yùn)動的熱激活能EA較未取向薄膜有降低，這歸因于磁誘導(dǎo)骨架鏈取向?qū)е滦纬煽焖俚膇ntra-chain電荷傳導(dǎo)通路，增強(qiáng)載流子跳躍運(yùn)動的離域性。研究顯示，在半導(dǎo)體聚合物基體中添加少量(2.0wt%)石墨烯納米片，可進(jìn)一步提高SVA-HMF制備的聚合物薄膜的分子鏈取向程度，增強(qiáng)OFET器件的載流子各向異性 (Appl. Phys. Lett. 2020，117，063301)。
 

　　半導(dǎo)體是什么？
 

　　半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。
 

　　半導(dǎo)體在集成電路、消費(fèi)電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都有應(yīng)用，如二極管就是采用半導(dǎo)體制作的器件。
 

　　無論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來看，半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)聯(lián)。
 

　　常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅是各種半導(dǎo)體材料應(yīng)用中具有影響力的一種。
 

　　該研究有利于深化科研人員對磁場和有機(jī)半導(dǎo)體分子間的相互作用機(jī)制、有機(jī)半導(dǎo)體薄膜結(jié)構(gòu)與相關(guān)器件性能間關(guān)系的認(rèn)識。研究團(tuán)隊(duì)提出的磁誘導(dǎo)薄膜生長方法為發(fā)展高性能有機(jī)半導(dǎo)體新材料、提升器件光電性能提供了途徑。研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的支持。
 

　　新型半導(dǎo)體材料在工業(yè)方面的應(yīng)用越來越多。新型半導(dǎo)體材料表現(xiàn)為其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，擁有卓越的電學(xué)特性，而且成本低廉，可被用于制造現(xiàn)代電子設(shè)備中廣泛使用，我國與其他國家相比在這方面還有著很大一部分的差距，通常會表現(xiàn)在對一些基本儀器的制作和加工上，近幾年來，國家很多的部門已經(jīng)針對我國相對于其他國家存在的弱勢，這一方面統(tǒng)一的組織了各個方面的群體，對其進(jìn)行有效的領(lǐng)導(dǎo)，然后共同努力去研制更加高水平的半導(dǎo)體材料。這樣才能夠在很大程度上適應(yīng)我國工業(yè)化的進(jìn)步和發(fā)展，為我國社會進(jìn)步提供更強(qiáng)大的動力。首先需要進(jìn)一步對超晶格量子阱材料進(jìn)行研發(fā)，目前我國半導(dǎo)體材料在這方面的發(fā)展背景來看，應(yīng)該在很大程度上去提高超高亮度，紅綠藍(lán)光材料以及光通信材料，在未來的發(fā)展的主要研究方向上，同時要根據(jù)市場上，更新一代的電子器件以及電路等要求進(jìn)行強(qiáng)化，將這些光電子結(jié)構(gòu)的材料，在未來生產(chǎn)過程中的需求進(jìn)行仔細(xì)的分析和探討，然后去滿足未來世界半導(dǎo)體發(fā)展的方向，我們需要選擇更加優(yōu)化的布點(diǎn)，然后做好相關(guān)的開發(fā)和研究工作，這樣將各種研發(fā)機(jī)構(gòu)與企業(yè)之間建立更好的溝通機(jī)制就可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)高溫半導(dǎo)體材料，更深一步的開發(fā)和利用。