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  聚合物薄膜晶體管因在低成本柔性電子中潛在的應用而獲得了廣泛的關(guān)注，過去幾年我們目睹了聚合物薄膜晶體管性能的快速提高，到目前為止，其P-型和n-型的遷移率都已經(jīng)超過10 cm²V^-1s^-1. 眾所周知，絕大多數(shù)的共軛聚合物都是p-型傳輸材料，n-型聚合物半導體材料無論在數(shù)量、性能以及穩(wěn)定性等方面都還相對落后。而且，由于空氣中水氧的存在，目前聚合物半導體材料基本都是在真空或惰性氣體環(huán)境中，以及采用封裝的策略來實現(xiàn)n-型傳輸。如何使聚合物半導體層在與空氣接觸的情況下，器件仍能實現(xiàn)并保持長期穩(wěn)定的n-型傳輸特性是該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。

  合肥工業(yè)大學張國兵副研究員，邱龍臻研究員課題組通過引入雜原子，在聚合物給體單元和受體單元上分別引入氟和氮取代基，制備雜原子取代的共軛聚合物半導體材料，氟取代基不僅降低聚合物的能級，增加分子鏈的平面性，形成緊密的排列，而且具有疏水特性，有效阻隔空氣中水氧的滲入。氮雜取代降低了材料的LUMO/HOMO能級，保證電子的有效注入和穩(wěn)定傳輸，同時阻隔空穴的注入。未經(jīng)任何封裝的聚合物薄膜晶體管器件在空氣中獲得n-型傳輸，電子遷移率超過0.2 cm²V^-1s^-1，在60天的空氣穩(wěn)定性表征過程中，器件一直保持n-型傳輸，最終遷移率仍然超過0.1 cm²V^-1s^-1。

圖1. 設(shè)計的聚合物結(jié)構(gòu)，有機薄膜晶體管器件結(jié)構(gòu)，以及器件的空氣穩(wěn)定性。

  在此基礎(chǔ)之上，課題組分別采用給體單元 (TVT), 弱的給體單元（TCNT）以及弱的聯(lián)噻唑受體單元（TZ）與氮雜單元（BABDF）聚合，逐步降低共軛聚合物的LUMO/HOMO能級的方式來獲得n-型傳輸。全受體共軛聚合物PBABDF-TZ具有超低的LUMO/HOMO能級（-4.28/-6.06 eV）,以PBABDF-TZ為半導體層的聚合物薄膜晶體管器件直接在空氣中實現(xiàn)n-型傳輸，該器件在空氣中放置一年以上，期間不間斷測試，整個過程都沒有出現(xiàn)空穴傳輸，一直保持純n-型傳輸特性。該工作對空氣穩(wěn)定傳輸?shù)膎-型聚合物半導體材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的思路。

圖2. 通過調(diào)節(jié)聚合單元來逐步降低聚合物半導體材料能級，從而實現(xiàn)空氣中長期的n-型傳輸。

  以上相關(guān)成果分別發(fā)表在 Chemistry of Materials (2018, 30, 5451-5459.) 和Macromolecules (2018, 51, 5704-5712.)上。

  論文鏈接：

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.8b02359

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.8b00839