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合肥工業(yè)大學(xué)在非氯溶劑加工的高性能半導(dǎo)體聚合物上取得新進(jìn)展
2020-09-10  來源:高分子科技

  高性能半導(dǎo)體聚合物因?yàn)榫邆浜芎玫纳虡I(yè)應(yīng)用前景而受到越來越廣泛的研究。目前,基于半導(dǎo)體聚合物的薄膜晶體管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過10cm2 V-1s-1的載流子遷移率,但這類半導(dǎo)體聚合物需要使用有毒的氯化溶劑加工。雖然使用無規(guī)共聚和引入不對(duì)稱結(jié)構(gòu)等主鏈工程可以提高半導(dǎo)體聚合物溶解性,但這會(huì)降低其分子鏈排列有序性和損耗其電學(xué)性能。相比于主鏈工程,利用側(cè)鏈工程提高半導(dǎo)體聚合物溶解性更加有效,但引入大體積的烷基側(cè)鏈會(huì)對(duì)聚合物的薄膜形貌、分子堆積和載流子傳輸性能造成不利的影響。因此,急需開發(fā)有效的分子設(shè)計(jì)策略以同時(shí)提高半導(dǎo)體聚合物的溶解性和電學(xué)性能。


  針對(duì)提高半導(dǎo)體聚合物的溶解性,合肥工業(yè)大學(xué)王曉鴻副研究員、張國兵副研究員、邱龍臻研究員團(tuán)隊(duì)對(duì)氮雜異靛藍(lán)基聚合物的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),使用線性雜化硅氧烷基鏈取代支化烷基鏈,顯著提高氮雜異靛藍(lán)基聚合物的溶解性。因此,相比于PAIIDBT-C,PAIIDBT-Si不僅可以溶解于氯化和芳香類溶劑,還可以溶解于低毒的烷烴類溶劑。同時(shí),該團(tuán)隊(duì)對(duì)氮雜異靛藍(lán)基聚合物的主鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),使用氟化聯(lián)噻吩取代聯(lián)噻吩,顯著提高氮雜異靛藍(lán)基聚合物的結(jié)晶度和電學(xué)性能。因此,相比于PAIIDBT-C和PAIIDBT-Si,PAIIDBFT-C和PAIIDBFT-Si表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的空穴和電子遷移率。這項(xiàng)研究工作為非氯溶劑加工的高性能半導(dǎo)體聚合物材料的設(shè)計(jì)合成提供了一種新的策略。


圖一. PAIIDBT-C, PAIIDBT-Si, PAIIDBFT-C, PAIIDBFT-Si的化學(xué)結(jié)構(gòu)式


  采用紫外吸收光譜對(duì)聚合物的溶解度進(jìn)行表征,結(jié)果表明,PAIIDBT-C, PAIIDBT-Si, PAIIDBFT-C, PAIIDBFT-Si 在甲苯溶液中分別表現(xiàn)出4.9,56.2,24.1和80.7 mg mL-1的溶解度。采用AFM和GIXD對(duì)聚合物薄膜進(jìn)行表征,結(jié)果表明,在聚合物骨架引入氟原子能顯著提高聚合物薄膜的結(jié)晶度。同時(shí)發(fā)現(xiàn),PAIIDBT-C和 PAIIDBFT-C采取face-on和edge-on并存的的分子堆積,而PAIIDBT-Si和PAIIDBFT-Si采取edge-on的的分子堆積,表明側(cè)鏈種類對(duì)聚合物薄膜分子堆積方式的重要影響。在此,使用烷烴加工的PAIIDBFT-Si薄膜的空穴遷移率達(dá)到2.34 cm2 V-1 s-1,這代表了所報(bào)道的烷烴加工的聚合物基晶體管中的遷移率最高值。


圖二. (a) 聚合物退火薄膜的AFM圖;(b) 聚合物退火薄膜的2D-GIXD圖;(c)聚合物薄膜的分子堆積方式


  該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將此線性雜化硅氧烷基鏈引入到異靛藍(lán)骨架并合成了三個(gè)異靛藍(lán)基聚合物,研究了聚合物骨架與硅鏈之間的烷基間隔長度對(duì)聚合物的薄膜形貌、分子堆積和載流子傳輸性能的影響。所制備的聚合物(PIID-Cm-Si7, m = 5–7)均表現(xiàn)出極高的溶解性。AFM和GIXD結(jié)果表明,聚合物薄膜的結(jié)晶度和分子堆積有序性隨著烷基間隔長度的增加而增強(qiáng)。因此,隨著烷基間隔長度的增加,所對(duì)應(yīng)的聚合物薄膜的載流子傳輸性能逐漸提高,其中,基于PIID-C7-Si7的薄膜晶體管遷移率最高達(dá)到1.58 cm2 V-1 s-1


圖三. (a) PIID-Cm-Si7 (m = 5–7)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式;(b) 不同溶劑加工的PIID-Cm-Si7 (m = 5–7) 基晶體管的載流子遷移率;(c) 基于PIID-C7-Si7的柔性晶體管陣列


  以上相關(guān)成果分別發(fā)表在ACS Applied Material Interface (10.1021/acsami.0c11436)和 Chemical Communication (10.1039/d0cc01497d)上。論文的第一作者為合肥工業(yè)大學(xué)光電技術(shù)研究院博士生丁亞飛,通訊作者為王曉鴻副研究員張國兵副研究員邱龍臻研究員


  原文鏈接:

  https://doi.org/10.1021/acsami.0c11436

  https://doi.org/10.1039/d0cc01497d

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