Adv. Funct. Mater.：電場調控用于分子排列及溶液剪切涂覆的有機半導體薄膜的電學性質

【引言】

基于溶液法制備的有機半導體（OSCs）因為在低成本的印刷柔性電子器件中的應用潛力吸引了研究者極大的關注。目前，要提高液相合成的有機半導體中電荷的傳輸不僅需要設計新型分子并進行合成，而且要對薄膜中的這些分子的排列結構進行很好的調控。小分子的晶體有機半導體具有很多種晶體排列方式，也就是所說的同質多形，這會強烈地影響載流子遷移率。研究者們已經做出了很多的努力誘導同質多形的產生，例如通過控制氣相法制備薄膜的厚度、利用溶液法進行制備以及對具有自組織單層膜的襯底進行表面修飾等。最近，經由溶液法沉積的有機半導體薄膜可以通過控制其溫度、溶液蒸發速率、襯底表面性質或者結合結晶動力學和分子空間禁閉來得到不同的同質多晶。除此之外，利用電場對有機半導體分子進行調控也是一種極為有效的方法。然而，目前的研究大多是描述性的，并且對場與物質間的作用進行了開放式的解釋，并沒有深入地研究頻率在提高材料效率中的作用。盡管DEP（由于不均勻電場產生的極化力會使得懸膠顆粒與溶劑之間產生相對運動）已經被應用在碳納米管的排列以及半導體納米線位置的分布，但是還未應用到對于有機半導體分子排列進行調控的研究中。

【成果簡介】

近日，來自斯坦福大學的鮑哲南教授和Michael F. Toney博士（共同通訊）等人以“Electric Field Tuning Molecular Packing and Electrical Properties of Solution-Shearing Coated Organic Semiconducting Thin Films”為題在Advanced Functional Materials上發表文章，研究了電場對分子排列的調控和溶液剪切涂覆的有機半導體薄膜的電學性質。

最近在溶液涂覆有機半導體中的研究進展證明了其在廉價有機電子器件和傳感器領域具有很高的應用潛力。其中分子的排列直接決定著固體中電荷的傳輸。實驗中利用電場對溶液剪切涂覆的有機半導體的晶體排列進行了很好的調控。研究中首先提出了基于介電泳的理論模型用以指導選擇電場的最優條件（頻率和振幅），并將最優條件應用在溶液剪切涂覆有機半導體薄膜的過程中。隨后得到了電場誘導的同時具有人形結構和二維磚墻結構填充圖案的同質多晶。實驗表明，最佳的分子排列具有更高的載流子遷移率。

【圖文導讀】

圖1 溶液剪切制備C8-BTBT中介電泳的應用

（a）在利用液相法制作小分子有機半導體薄膜結晶過程中使用DEP力的裝置的側視圖

（b）將C8-BTBT溶于三種不同極性的溶劑中時ε_m^' Real[(ε_p-ε_m)/ε_m]的估計譜圖

（c）在50℃時溶解在氯苯中的C8-BTBT的載流子漂移速率的理論估計。此時交流電壓為150V_rms，頻率為100Hz的電場施加在刀片的銳角部和襯底之間。刀片銳角部的曲率半徑為5μm，襯底位于其下50μm處

圖2 利用電場調控C8-BTBT的分子排列

（a）同步加速X射線衍射裝置的簡化示意圖以及橫向極化的薄膜的光學照片。同步加速X射線衍射裝置用于對C8-BTBT薄膜的晶體結構進行測量

（b）C8-BTBT典型的三維排布組合。圖中平面包括a軸和b軸，兩軸平行于襯底。圖中還包含了每一個晶胞在DEP效應下進行轉變的頂視圖，其中，DEP效應通過增加電壓或減小頻率來增強

（c）隨著增加DEP力于薄膜上時的φ整合GIXD圖

（d）a軸和b軸長度的變化（從A到E）

（e）GIXD圖（下）和強度分布（上）展示的晶胞D（實心箭頭）和E（空心箭頭）中（12L）和（1-2L）峰的合并。

圖3 電場誘導同質多晶在TIPS-并五苯中的應用

（a）TIPS-并五苯薄膜的光學照片

（b）TIPS-并五苯薄膜的GIXD圖。圖中顯示了（10）和（01）兩峰的移動，在涂覆過程中，刀片與襯底之間施加了頻率為100Hz，電壓為130V的電場

（c）平面內由于電場作用與由溫度作用的多形體Ib衍射峰位置的變化比較

圖4 在電場下剪切的樣品與參考樣品間晶體管特性的比較

（a）文獻中三種TIPS-并五苯同質多形體與本文工作所制薄膜間最高場效應晶體管平均遷移率的比較

（b）在電場存在和消失條件下TIPS-并五苯和C8-BTBT沿剪切方向的平均和最大遷移率

（c,d）TIPS-并五苯（c）和C8-BTBT（d）有機場效應晶體管在有（右）/無（左）電場條件下的典型轉換特性曲線

【小結】

本文利用電場對分子的排列進行調控，并對基于溶液剪切涂覆的有機半導體薄膜的電學特性進行了研究，實驗結果證明分子的不同排列對其電學特性有著極大的影響，最佳的分子排列具有最高的載流子遷移率。本文為控制多形性提供了一種新型的通用方法，且避免了有機半導體中的亞穩狀態。相對于現今報道的基于特定材料的化學相互作用的思路，這種通用方法是基于物理現象的支持。因此，這為溶液法制備高性能大面積有機電子器件開辟了新的道路。

文獻鏈接：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）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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