近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心張發培研究團隊提出強磁場誘導有機材料生長的新策略，實現高性能半導體聚合物薄膜的結構調控并提高其電荷傳輸能力，相關研究成果分別發表在ACS Applied Materials & Interface、Journal of Materials Chemistry C和Applied Physics Letters上。
 

　　有效控制有機半導體薄膜中分子取向和薄膜有序性，有利于實現高性能有機場效應晶體管(OFET)和太陽電池等器件。發展高效、高普適性的溶液相成膜技術是實現這一目的的重要途徑。利用磁場來誘導薄膜在宏觀尺度上的分子取向，可作為直接、“干凈”手段生長大面積取向的有機薄膜，這引起學界重視。該課題組在此前研究中，采用強磁場下溶液涂布方法，首次實現多種晶態(和半晶態)半導體聚合物薄膜結構和載流子傳輸特性的控制，提出其薄膜的磁致取向生長機制(Adv. Funct. Mater. 2015，25，5126)。但該方法制備的有機薄膜存在形貌和厚度均勻性差、膜厚不可控等問題，影響薄膜器件光電性能的可重復性。
 

　　針對上述問題，張發培研究團隊首次提出強磁場下的溶劑蒸汽退火(SVA-HMF)的新策略。研究人員通過溶液旋涂來沉積厚度均勻的“濕膜”，將其置于含有飽和有機溶劑的密閉容器中、在強磁場下進行“退火”處理，獲得給體-受體(D-A)型共聚物P(NDI2OD-T2)薄膜的大面積(厘米尺度)、高度取向的薄膜織構。科研人員通過微結構表征發現，制備的聚合物薄膜的形貌和厚度均勻性得到改善，聚合物骨架鏈取向程度和薄膜結晶性優于溶液涂布法制備的薄膜(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020，12，29487)；通過研究SVA-HMF條件對薄膜結構和形貌的影響，研究人員提出強磁誘導溶劑退火調控聚合物薄膜結構的動力學機制；通過制備OFET器件發現，以P(NDI2OD-T2)取向薄膜制備的器件遷移率各向異性達102，其電子遷移率較未取向薄膜制備的器件提高1個量級以上。
 

　　此外，對于另一種分子結構迥異的D-A共聚物PDPP2TBT，SVA-HMF方法也可實現大面積高度取向的薄膜，這表明該方法在調控半導體聚合物薄膜結構上具有普適性。磁致取向的PDPP2TBT薄膜呈現高達1.56 cm2/Vs的空穴遷移率(J. Mater. Chem. C 2020，8，4477)。研究人員通過測量變溫的載流子遷移率發現，P(NDI2OD-T2)和PDPP2TBT取向薄膜中載流子跳躍運動的熱激活能EA較未取向薄膜有降低，這歸因于磁誘導骨架鏈取向導致形成快速的intra-chain電荷傳導通路，增強載流子跳躍運動的離域性。研究顯示，在半導體聚合物基體中添加少量(2.0wt%)石墨烯納米片，可進一步提高SVA-HMF制備的聚合物薄膜的分子鏈取向程度，增強OFET器件的載流子各向異性 (Appl. Phys. Lett. 2020，117，063301)。
 

　　半導體是什么？
 

　　半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。
 

　　半導體在集成電路、消費電子、通信系統、光伏發電、照明、大功率電源轉換等領域都有應用，如二極管就是采用半導體制作的器件。
 

　　無論從科技或是經濟發展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。大部分的電子產品，如計算機或是數字錄音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關聯。
 

　　常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅是各種半導體材料應用中具有影響力的一種。
 

　　該研究有利于深化科研人員對磁場和有機半導體分子間的相互作用機制、有機半導體薄膜結構與相關器件性能間關系的認識。研究團隊提出的磁誘導薄膜生長方法為發展高性能有機半導體新材料、提升器件光電性能提供了途徑。研究工作得到國家自然科學基金項目和國家重點研發項目的支持。
 

　　新型半導體材料在工業方面的應用越來越多。新型半導體材料表現為其結構穩定，擁有卓越的電學特性，而且成本低廉，可被用于制造現代電子設備中廣泛使用，我國與其他國家相比在這方面還有著很大一部分的差距，通常會表現在對一些基本儀器的制作和加工上，近幾年來，國家很多的部門已經針對我國相對于其他國家存在的弱勢，這一方面統一的組織了各個方面的群體，對其進行有效的領導，然后共同努力去研制更加高水平的半導體材料。這樣才能夠在很大程度上適應我國工業化的進步和發展，為我國社會進步提供更強大的動力。首先需要進一步對超晶格量子阱材料進行研發，目前我國半導體材料在這方面的發展背景來看，應該在很大程度上去提高超高亮度，紅綠藍光材料以及光通信材料，在未來的發展的主要研究方向上，同時要根據市場上，更新一代的電子器件以及電路等要求進行強化，將這些光電子結構的材料，在未來生產過程中的需求進行仔細的分析和探討，然后去滿足未來世界半導體發展的方向，我們需要選擇更加優化的布點，然后做好相關的開發和研究工作，這樣將各種研發機構與企業之間建立更好的溝通機制就可以在很大程度上實現高溫半導體材料，更深一步的開發和利用。