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高分子半導(dǎo)體的特性與創(chuàng)新應(yīng)用探索

深圳市賽姆烯金科技有限公司 ? 來源:深圳市賽姆烯金科技有限 ? 2024-11-27 09:12 ? 次閱讀
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引言

有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料,作為一類具有半導(dǎo)體特性的有機(jī)高分子化合物,近年來在電子器件、光電器件、傳感器以及能量轉(zhuǎn)換與存儲等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。這些材料不僅具有質(zhì)量輕、柔韌性好、可溶液加工等優(yōu)點(diǎn),而且其電子結(jié)構(gòu)、光電性質(zhì)以及加工性能可以通過分子設(shè)計進(jìn)行精細(xì)調(diào)控,從而滿足不同應(yīng)用需求。

為什么高分子材料能做半導(dǎo)體材料?

有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料是指一類由共軛有機(jī)分子鏈構(gòu)成的高分子化合物,這些共軛分子鏈通過π電子共軛體系實(shí)現(xiàn)電荷傳輸,從而表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。這類材料通常具有較低的載流子遷移率,但其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和可加工性使其在柔性電子器件和光電器件中具有獨(dú)特優(yōu)勢。

幾大優(yōu)勢:

化學(xué)結(jié)構(gòu)易修飾:高分子半導(dǎo)體材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)可以通過合成方法進(jìn)行精確控制,從而調(diào)整其電學(xué)性能。

可溶液加工性:高分子半導(dǎo)體材料可以通過溶液加工方法制備成薄膜,降低了生產(chǎn)成本,提高了生產(chǎn)效率。

柔性:高分子半導(dǎo)體材料具有柔韌性,可以適應(yīng)各種形狀和尺寸的電子設(shè)備,為可穿戴設(shè)備和柔性電子器件提供了可能。

生物相容性:部分高分子半導(dǎo)體材料具有良好的生物相容性,適用于生物電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

有關(guān)高分子半導(dǎo)體材料的理論之一

有機(jī)半導(dǎo)體材料中的空穴和電子態(tài)是其基礎(chǔ)科學(xué)和器件應(yīng)用的重要問題之一。使用電子自旋共振 (ESR) 光譜展示典型有機(jī)半導(dǎo)體材料、聚合物區(qū)域規(guī)則聚(3-己基噻吩)(RRP3HT)和小分子戊二烯中空穴和電子的電可控自旋態(tài)。通過使用他們的雙極有機(jī)半導(dǎo)體器件,這些狀態(tài)被揭示為累積電荷密度的函數(shù)。在RR-P3HT中,隨著電積累孔穴密度的增加,其自旋狀態(tài)從單正電荷雙極化子或正極化子對轉(zhuǎn)變?yōu)闊o自旋狀態(tài)。在并五苯中,同樣觀察到了高電荷密度下孔穴無自旋狀態(tài)的形成。此外,還首次觀察到了RR-P3HT中電積累電子的無自旋狀態(tài)。這一結(jié)果對于進(jìn)一步低估有機(jī)半導(dǎo)體材料中的空穴和電子態(tài)以及從微觀角度提高有機(jī)半導(dǎo)體器件的性能非常重要。

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具體材料及其性質(zhì)和應(yīng)用

聚噻吩及其衍生物

性質(zhì):聚噻吩及其衍生物是一類典型的有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料,具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性和較高的空穴遷移率。通過側(cè)鏈修飾和摻雜,可以進(jìn)一步調(diào)控其電導(dǎo)率和光電性質(zhì)。

應(yīng)用:聚噻吩及其衍生物廣泛應(yīng)用于有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFETs)、有機(jī)太陽能電池(OSCs)和有機(jī)發(fā)光二極管OLEDs)等領(lǐng)域。例如,聚(3-己基噻吩)(P3HT)是OFETs中最常用的材料之一。

聚苯撐乙烯及其衍生物

性質(zhì):聚苯撐乙烯及其衍生物具有優(yōu)異的發(fā)光性能和較高的電子遷移率,通過分子結(jié)構(gòu)調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光到紅光的全色發(fā)光。

應(yīng)用:這類材料在OLEDs中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景,可以用于制備高效、高穩(wěn)定性的發(fā)光器件。

共軛微孔聚合物(CMPs

性質(zhì):CMPs是一類具有微孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料,通過調(diào)控單體結(jié)構(gòu)和合成條件可以實(shí)現(xiàn)對其孔隙結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的精細(xì)調(diào)控。

應(yīng)用:CMPs在氣體吸附與分離、催化以及能量轉(zhuǎn)換與存儲等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。例如,基于CMPs的光催化劑在光催化CO2還原和水分解制氫方面展現(xiàn)出較高的活性。

有機(jī)-無機(jī)雜化材料

性質(zhì):有機(jī)-無機(jī)雜化材料結(jié)合了有機(jī)高分子和無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn),具有可調(diào)諧的光電性質(zhì)、良好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。

應(yīng)用:這類材料在光電器件、傳感器以及能量轉(zhuǎn)換與存儲等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如,基于有機(jī)-無機(jī)雜化材料的鈣鈦礦太陽能電池具有極高的光電轉(zhuǎn)換效率。

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未來發(fā)展展望

分子設(shè)計與合成:未來研究將更加注重有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料的分子設(shè)計與合成,通過精確調(diào)控分子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對其光電性質(zhì)的優(yōu)化。例如,發(fā)展新型共軛單體和合成方法,制備具有特定光電性質(zhì)的有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料。

加工性能與器件制備:提高有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料的加工性能和器件制備工藝將是未來研究的重要方向。例如,發(fā)展新型溶劑加工和印刷技術(shù),實(shí)現(xiàn)大面積、低成本、高效率的有機(jī)電子器件制備。

多功能化與集成化:隨著電子器件向多功能化和集成化方向發(fā)展,有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料將更加注重與其他功能材料的集成與融合。例如,發(fā)展基于有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料的柔性傳感器陣列和智能電子皮膚等。

環(huán)境友好與可持續(xù)發(fā)展:未來研究將更加注重有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料的環(huán)境友好性和可持續(xù)發(fā)展性。例如,開發(fā)可生物降解和可回收的有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料,減少電子廢棄物對環(huán)境的污染。

總結(jié)

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有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料作為一類具有獨(dú)特優(yōu)勢的新型半導(dǎo)體材料,在電子器件、光電器件、傳感器以及能量轉(zhuǎn)換與存儲等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。通過分子設(shè)計與合成、加工性能與器件制備、多功能化與集成化以及環(huán)境友好與可持續(xù)發(fā)展等方面的深入研究,有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料將在未來電子產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn):

[1]Vacuum Lamination of Polymer Gate Dielectric Layers for Facile Fabrication of Organic Transistors

Min-Jae Kim, Jin-Hwan Hong, Myeong-Hyeon Kim, Young-Shin Kim, Jaehoon Lee, Hwa Sung Lee, and Boseok Kang;

ACS Applied Electronic Materials20224(7), 3640-3647;DOI: 10.1021/acsaelm.2c00591

[2]Electrically Controllable Spin States of Holes and Electrons in Organic Semiconductor Materials

Shohei Iguchi, Yuki Sakurai, Naohiro Fujita, Fumiya Osawa, and Kazuhiro Marumoto

ACS Applied Electronic Materials20191(12), 2522-2530;DOI: 10.1021/acsaelm.9b00551

[3]閆敬越,劉玉敏,黃華東,等.附生結(jié)晶調(diào)控有機(jī)高分子半導(dǎo)體材料聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與性能[J/OL].高分子學(xué)報,1-22[2024-11-09].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1857.O6.20240924.1442.002.html.

[4]黃進(jìn).含炔基芴的新型共軛半導(dǎo)體光電聚合物的合成及其應(yīng)用[D].南京大學(xué),2015.

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原文標(biāo)題:高分子半導(dǎo)體:特性與創(chuàng)新應(yīng)用探索

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