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)中心研究人員采用強(qiáng)磁場誘導(dǎo)手段，成功地實現(xiàn)了新型高性能半導(dǎo)體聚合物薄膜的結(jié)構(gòu)調(diào)控并顯著提高其電荷傳輸能力，相關(guān)研究成果在學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上在線發(fā)表。

有效控制有機(jī)半導(dǎo)體薄膜中分子取向、堆積方式和結(jié)晶性等結(jié)構(gòu)特性，對實現(xiàn)高性能場效應(yīng)晶體管（OFET）和太陽電池等器件具有關(guān)鍵性的作用。有機(jī)分子(特別是pi共軛分子)具有很強(qiáng)的抗磁磁化率各向異性，使分子磁能大小強(qiáng)烈地依賴于分子軸與外磁場間的取向。在材料生長過程中強(qiáng)磁場可用來控制分子排列和取向以及生長模式，因此可成為控制材料結(jié)構(gòu)和性能的一種干凈、普適性手段。目前已實現(xiàn)多種類液晶材料、一些簡單小分子和嵌段聚合物材料在強(qiáng)磁場下的取向生長。然而對于分子間相互作用強(qiáng)、結(jié)構(gòu)有序度高的共軛分子和聚合物半導(dǎo)體，強(qiáng)磁場誘導(dǎo)生長和結(jié)構(gòu)調(diào)控則異常困難，而這些材料通常具有高載流子遷移率和優(yōu)異的光電特性。

強(qiáng)磁場科學(xué)中心研究員張發(fā)培課題組與合肥研究院固體物理研究所研究員戴建明課題組合作，解決了上述有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的強(qiáng)磁場誘導(dǎo)生長和結(jié)構(gòu)調(diào)控問題。通過發(fā)展新的強(qiáng)磁場下原位溶液凃布方法，在國際上首次實現(xiàn)了晶態(tài)和半晶態(tài)聚合物半導(dǎo)體薄膜的大面積宏觀擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)。通過綜合的微結(jié)構(gòu)測量，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁誘導(dǎo)導(dǎo)致新型高性能聚合物P(NDI2OD-T2)的分子鏈沿磁場方向高度取向。他們觀察了從不同有機(jī)溶劑中生長的P(NDI2OD-T2)薄膜取向度和有序度的變化，發(fā)現(xiàn)聚合物溶液中存在的分子聚集態(tài)（aggregate）與磁場的強(qiáng)相互作用誘發(fā)和決定了磁致取向生長的過程，提出了薄膜磁致取向生長的機(jī)制模型。研究人員還通過新穎的時間調(diào)制磁場技術(shù)，有效地控制了分子骨架的共軛平面在薄膜中的空間取向，顯著提高了P(NDI2OD-T2)分子間沿膜面法線方向的face-on 堆積有序度。利用強(qiáng)磁場生長的薄膜制備OFET器件，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁誘導(dǎo)取向可顯著提高聚合物半導(dǎo)體的載流子遷移率（達(dá)4倍），并產(chǎn)生強(qiáng)的載流子遷移率各向異性。

P(NDI2OD-T2)是典型的“施主-受主”型聚合物，這類新型聚合物是目前有機(jī)電子學(xué)中最重要的材料之一，上述工作為探索進(jìn)一步提高其光電性能提供了新途徑和重要線索，也為深化認(rèn)識有機(jī)材料強(qiáng)磁誘導(dǎo)生長的動力學(xué)機(jī)制以及有機(jī)薄膜結(jié)構(gòu)與性能間內(nèi)在關(guān)系具有指導(dǎo)性作用。

強(qiáng)磁場（8T）下生長的P(NDI2OD-T2)薄膜的宏觀取向結(jié)構(gòu)：(a) 極化光顯微圖；(b) In-plane掠入射X光衍射圖（GIXRD）

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