苏州大学揭建胜教授课题组AM水面拖涂法大幅提升有机共轭小分子半导体薄膜电荷输运性能
2021年07月23日 丽水机械设备网
苏州大学揭建胜教授课题组《AM》：水面拖涂法大幅提升有机共轭小分子半导体薄膜电荷输运性能
有机共轭小分子半导体材料由于具有优异的载流子输运性能及低成本、可溶液法加工的优势而受到广泛关注。特别是过去几十年以来，随着对分子构性关系认识的深入，高迁移率有机小分子半导体材料不断涌现，使得基于该类材料的有机光电器件的研究取得了长足进展。除了分子本身结构以外，共轭小分子薄膜的电荷输运性能很大程度上由其形貌和结晶度决定中国塑料网vlevle.com。然而，目前通常采用的溶液涂布技术（Meniscus-guided coating）中往往涉及复杂的流体动力学过程，溶液蒸发一般遵从恒定接触角蒸发模式，并且溶液中流体传质过程不稳定性，使得分子趋向于三维聚集与无序生长。制备的有机小分子薄膜中通常会存在大量晶界，而且结晶取向杂乱无序，阻碍了有机半导体薄膜中的载流子输运。因此，发展一种能够减少有机半导体薄膜晶界，同时提升薄膜结晶质量的方法，对于进一步改善其电学输运性能至关重要。
针对这一问题，近日苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）揭建胜教授课题组报道了一种简单、高效的水面拖涂法，实现了具有单轴结晶取向、毫米级单晶晶域的有机共轭小分子薄膜，大幅提高了薄膜的载流子输运性质，并获得了高迁移率的柔性有机场效应晶体管。该研究成果以题为“Water-Surface Drag Coating: A New Route Toward High-Quality Conjugated Small-Molecule Thin Films with Enhanced Charge Transport Properties”的论文发表在《Advanced Materials》上。
图1水面拖涂法示意图以及得到的有机小分子薄膜形貌及电学性质
相比传统的溶液涂布技术，该方法以水面作为基底，利用水面上有机溶液自发铺展的马兰戈尼（Marangoni）效应将溶剂蒸发动力学过程由恒定接触角模式转变成了恒定接触线模式。因此有机晶体的横向生长得到极大增强，从而显著地增加了单晶晶域的尺寸，并且减少了横向晶界。另一方面，在薄膜纵向生长方向上采用了独特的拖涂方式，避免了直接将外力施加在溶液上，稳定了流体内部传质过程，确保了所得薄膜中有机分子堆积取向的一致。通过水面拖涂法制得的2, 8-二氟-5,11-双(三乙基硅烷基乙炔)蒽菲（Dif-TES-ADT）薄膜载流子迁移率相比传统的溶液涂布技术提高了4.7倍，达到了15.3 cm2 V-1 s-1，为该材料目前报道的最高迁移率之一。另外，由于水面拖涂法得到的高质量有机薄膜是悬浮在水面的，可以很容易转移至器件加工所需衬底上，因此有机薄膜的晶体质量不受传统柔性基底表面缺陷或不平整的影响。由此，首次获得了迁移率高达16.1 cm2 V-1 s-1的柔性有机场效应晶体管，突破了柔性有机场效应器件性能的限制。总结而言，水面拖涂法是一种能够显著提高有机共轭小分子薄膜电学性能的普适性策略，可以应用到多种高性能有机半导体薄膜的制备中，从而为高性能柔性可穿戴电子器件提供了材料基础。文章的第一作者是苏州大学的邓巍博士，通讯作者为揭建胜教授。