Adv. Funct. Mater.：电场调控用于分子排列及溶液剪切涂覆的有机半导体薄膜的电学性质

【引言】

基于溶液法制备的有机半导体（OSCs）因为在低成本的印刷柔性电子器件中的应用潜力吸引了研究者极大的关注。目前，要提高液相合成的有机半导体中电荷的传输不仅需要设计新型分子并进行合成，而且要对薄膜中的这些分子的排列结构进行很好的调控。小分子的晶体有机半导体具有很多种晶体排列方式，也就是所说的同质多形，这会强烈地影响载流子迁移率。研究者们已经做出了很多的努力诱导同质多形的产生，例如通过控制气相法制备薄膜的厚度、利用溶液法进行制备以及对具有自组织单层膜的衬底进行表面修饰等。最近，经由溶液法沉积的有机半导体薄膜可以通过控制其温度、溶液蒸发速率、衬底表面性质或者结合结晶动力学和分子空间禁闭来得到不同的同质多晶。除此之外，利用电场对有机半导体分子进行调控也是一种极为有效的方法。然而，目前的研究大多是描述性的，并且对场与物质间的作用进行了开放式的解释，并没有深入地研究频率在提高材料效率中的作用。尽管DEP（由于不均匀电场产生的极化力会使得悬胶颗粒与溶剂之间产生相对运动）已经被应用在碳纳米管的排列以及半导体纳米线位置的分布，但是还未应用到对于有机半导体分子排列进行调控的研究中。

【成果简介】

近日，来自斯坦福大学的鲍哲南教授和Michael F. Toney博士（共同通讯）等人以“Electric Field Tuning Molecular Packing and Electrical Properties of Solution-Shearing Coated Organic Semiconducting Thin Films”为题在Advanced Functional Materials上发表文章，研究了电场对分子排列的调控和溶液剪切涂覆的有机半导体薄膜的电学性质。

最近在溶液涂覆有机半导体中的研究进展证明了其在廉价有机电子器件和传感器领域具有很高的应用潜力。其中分子的排列直接决定着固体中电荷的传输。实验中利用电场对溶液剪切涂覆的有机半导体的晶体排列进行了很好的调控。研究中首先提出了基于介电泳的理论模型用以指导选择电场的最优条件（频率和振幅），并将最优条件应用在溶液剪切涂覆有机半导体薄膜的过程中。随后得到了电场诱导的同时具有人形结构和二维砖墙结构填充图案的同质多晶。实验表明，最佳的分子排列具有更高的载流子迁移率。

【图文导读】

图1 溶液剪切制备C8-BTBT中介电泳的应用

（a）在利用液相法制作小分子有机半导体薄膜结晶过程中使用DEP力的装置的侧视图

（b）将C8-BTBT溶于三种不同极性的溶剂中时ε_m^' Real[(ε_p-ε_m)/ε_m]的估计谱图

（c）在50℃时溶解在氯苯中的C8-BTBT的载流子漂移速率的理论估计。此时交流电压为150V_rms，频率为100Hz的电场施加在刀片的锐角部和衬底之间。刀片锐角部的曲率半径为5μm，衬底位于其下50μm处

图2 利用电场调控C8-BTBT的分子排列

（a）同步加速X射线衍射装置的简化示意图以及横向极化的薄膜的光学照片。同步加速X射线衍射装置用于对C8-BTBT薄膜的晶体结构进行测量

（b）C8-BTBT典型的三维排布组合。图中平面包括a轴和b轴，两轴平行于衬底。图中还包含了每一个晶胞在DEP效应下进行转变的顶视图，其中，DEP效应通过增加电压或减小频率来增强

（c）随着增加DEP力于薄膜上时的φ整合GIXD图

（d）a轴和b轴长度的变化（从A到E）

（e）GIXD图（下）和强度分布（上）展示的晶胞D（实心箭头）和E（空心箭头）中（12L）和（1-2L）峰的合并。

图3 电场诱导同质多晶在TIPS-并五苯中的应用

（a）TIPS-并五苯薄膜的光学照片

（b）TIPS-并五苯薄膜的GIXD图。图中显示了（10）和（01）两峰的移动，在涂覆过程中，刀片与衬底之间施加了频率为100Hz，电压为130V的电场

（c）平面内由于电场作用与由温度作用的多形体Ib衍射峰位置的变化比较

图4 在电场下剪切的样品与参考样品间晶体管特性的比较

（a）文献中三种TIPS-并五苯同质多形体与本文工作所制薄膜间最高场效应晶体管平均迁移率的比较

（b）在电场存在和消失条件下TIPS-并五苯和C8-BTBT沿剪切方向的平均和最大迁移率

（c,d）TIPS-并五苯（c）和C8-BTBT（d）有机场效应晶体管在有（右）/无（左）电场条件下的典型转换特性曲线

【小结】

本文利用电场对分子的排列进行调控，并对基于溶液剪切涂覆的有机半导体薄膜的电学特性进行了研究，实验结果证明分子的不同排列对其电学特性有着极大的影响，最佳的分子排列具有最高的载流子迁移率。本文为控制多形性提供了一种新型的通用方法，且避免了有机半导体中的亚稳状态。相对于现今报道的基于特定材料的化学相互作用的思路，这种通用方法是基于物理现象的支持。因此，这为溶液法制备高性能大面积有机电子器件开辟了新的道路。

文献链接：Electric Field Tuning Molecular Packing and Electrical Properties of Solution-Shearing Coated Organic Semiconducting Thin Films（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201605503）

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

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