化學(xué)所光調(diào)控有機(jī)高分子半導(dǎo)體性能研究獲進(jìn)展

基于有機(jī)高分子半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管具有柔性、價(jià)廉、質(zhì)輕、可大面積制備等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)智能電子器件及生物可穿戴器件等領(lǐng)域，近年來得到了研究與關(guān)注。為此，人們研究了一系列高性能的p-型、n-型和雙極性有機(jī)高分子半導(dǎo)體。同時(shí)，具有多種功能以及性能可調(diào)的有機(jī)半導(dǎo)體場效應(yīng)器件也得到了越來越多的重視。這些多功能場效應(yīng)器件通常使用對特定外場刺激具有響應(yīng)的有機(jī)小分子及聚合物材料，從而在特定外場刺激下實(shí)現(xiàn)場效應(yīng)性能的調(diào)控。

光作為清潔、易得的遠(yuǎn)程調(diào)控手段，受到了研究者的青睞。光調(diào)控場效應(yīng)晶體管是指使用光作為外場刺激手段，構(gòu)建器件性能可調(diào)控的晶體管，通常通過引入光致變色分子的策略來實(shí)現(xiàn)，大多采用物理摻雜方法，存在著相分離、穩(wěn)定性等問題。

在國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室研究員張德清課題組首次將偶氮苯基團(tuán)引入有機(jī)高分子半導(dǎo)體的側(cè)鏈，發(fā)現(xiàn)可以通過紫外、可見光照可逆調(diào)控半導(dǎo)體薄膜的結(jié)晶性，進(jìn)而可逆調(diào)控其半導(dǎo)體性能，并表現(xiàn)出光響應(yīng)速度快和器件穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)（Advanced Functional Materials）。在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)合成了側(cè)鏈含有吡唑偶氮苯單元（pAzo）的共軛給受體聚合物PDPYA，協(xié)同使用納米粒子NaYF4:Yb,Tm的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)和共軛骨架的光熱效應(yīng)，構(gòu)建出近紅外光（980/808 nm）可逆調(diào)控的有機(jī)場效應(yīng)晶體管，并表現(xiàn)出更優(yōu)異的光穩(wěn)定性，器件電流在經(jīng)過100次循環(huán)光照后，無明顯衰減。此外，由于順式構(gòu)型的吡唑偶氮苯具有較高穩(wěn)定性，該器件在980 nm光照射后，器件性能可以在暗處穩(wěn)定保持長達(dá)120天。這些優(yōu)點(diǎn)使得該體系在記憶器件等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值（Angewandte Chemie International Edition）。

化學(xué)所光調(diào)控有機(jī)高分子半導(dǎo)體性能研究獲進(jìn)展

科研人員進(jìn)一步在有機(jī)高分子半導(dǎo)體側(cè)鏈中引入了兩種不同結(jié)構(gòu)的偶氮苯基團(tuán)，即吡唑偶氮苯（pAzo）和tetra-ortho-methoxy-substituted azobenzene (mAzo)，設(shè)計(jì)合成了有機(jī)高分子半導(dǎo)體POMPYA，實(shí)現(xiàn)了通過560 nm、365 nm、470 nm三種波長光照對基于POMPYA薄膜的場效應(yīng)晶體管器件性能的可逆調(diào)控，并可依次達(dá)到三重穩(wěn)定的電導(dǎo)態(tài)。其原理如下：mAzo的可逆順反異構(gòu)化可以通過560 nm、365 nm、470 nm的光照進(jìn)行；pAzo的反式到順式的轉(zhuǎn)化可以通過365 nm光照進(jìn)行，而560 nm光照不能驅(qū)動順反異構(gòu)化反應(yīng)。因此，兩種偶氮苯基團(tuán)（mAzo和pAzo）的反式到順式異構(gòu)化可以通過560 nm和365 nm的光照依次引發(fā)。GIWAXS數(shù)據(jù)分析表明mAzo及pAzo的順反異構(gòu)可以調(diào)節(jié)POMPYA薄膜的結(jié)晶性。基于POMPYA薄膜的場效應(yīng)器件的性能可通過560 nm、365 nm和470 nm光照下的mAzo及pAzo依次順反異構(gòu)化來進(jìn)行可逆調(diào)控，從而依次達(dá)到三重穩(wěn)定的導(dǎo)電狀態(tài)，而且三種狀態(tài)間可以通過特定波長的光照進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)換。通過使用560 nm、365 nm 和470 nm光照作為輸入信號，器件電流IDS作為輸出信號，器件電流IDS隨光照的變化可以模擬三值邏輯門的功能，為構(gòu)建光調(diào)控的多重穩(wěn)態(tài)有機(jī)場效應(yīng)晶體管提供了新思路（Advanced Materials）。

化學(xué)所光調(diào)控有機(jī)高分子半導(dǎo)體性能研究獲進(jìn)展

責(zé)任編輯：lq