國家納米中心《AFM》:精確控制晶體取向,顯著提高電荷傳輸性能!
近年來,有機半導體薄膜因其在有機太陽能電池(OSC)、有機場效應晶體管(OFET)、和有機發(fā)光二極管(OLED)等電子領域的廣泛應用而受到廣泛的研究。分子取向的特定排列對提高這些有機電子器件的性能起著至關重要的作用。分子取向的特定排列對提高這些有機電子器件的性能起著至關重要的作用。例如,眾所周知,有機發(fā)光二極管中發(fā)光偶極子的水平取向對于提高它們的出耦效率是很重要的。小分子的晶體取向是研制高性能小分子有機場效應管的關鍵參數(shù)之一。然而,由于小分子對加工條件的敏感性,實現(xiàn)高度的主干排列仍然是一個挑戰(zhàn)。
來自國家納米科學中心的學者采用外延結晶法在高取向聚乙烯(PE)襯底上制備了三種共軛小分子(ZR1、ZR2-C3和Y6)的薄膜,使電荷輸運性能有了顯著的提高。在沿小分子骨架具有導電通道的Zr1和Zr2-C3膜中,邊上分子的最大遷移率分別增加了9.91×10?2和8.97×10?2cm2 V?1s?1,分別是垂直于分子骨架時的35倍和37倍,比未對齊的膜的測量值高出近23倍和19倍。此外,具有面對面性質的小分子Y6的電子遷移率和空穴遷移率比垂直于主干方向和未對準的薄膜的測量值增加了近四倍。這項工作展示了薄膜在取向PE上的外延結晶,對具有不同取向的小分子有了重要的理解,并為高性能有機電子應用提供了一種有效的電荷傳輸調節(jié)方法。相關文章以“Precise Control of Crystal Orientation of Conjugated Molecule Enables Anisotropic Charge Transport Properties”標題發(fā)表在Advanced Functional Materials。https://doi.org/10.1002/adfm.202110080圖1.小分子a)ZR1、ZR2-C3和Y6分子結構。b)Zr1薄膜,c)Zr2-C3薄膜和d)Y6小分子薄膜在高取向聚乙烯襯底上的偏振光學顯微照片(相對于入射光的偏振方向分別為0°和45°)。
圖2.在取向PE襯底上熱處理的小分子薄膜a)Zr1薄膜,b)Zr2-C3薄膜和c)Y6薄膜的偏振UV-Vis吸收光譜。符號(∥)和(⊥)表示平行于和垂直于PE基板的取向方向的FLM的取向。d)小分子ZR1、ZR2-C3和Y6薄膜在取向PE襯底上的二色性比和分子取向因子Smol。取向PE襯底上熱退火小分子薄膜f)Zr1薄膜,g)Zr2-C3薄膜和h)Y6薄膜的偏振光致發(fā)光。
圖3.在定向PE襯底上熱退火小分子薄膜a,b)Zr1薄膜,c,d)Zr2-C3薄膜,以及e,f)Y6小分子薄膜的2D-GIWAXS圖和電子折射(ED)圖案。符號(∥)和(⊥)表示平行和垂直于小分子主干方向的入射X射線。
圖4.單軸取向小分子薄膜的場效應管性能。a)底柵-頂接觸的OFET器件配置示意圖。2D-GIWAXS-GIWAXS建議在小分子薄膜內進行分子堆積,b)在平行于取向PE襯底的X射線入射光束下對ZR1和ZR2-C3薄膜進行晶體堆積,c)在垂直于取向PE的X射線入射光束下對ZR1和ZR2-C3薄膜進行晶體堆積,以及d)當X射線束平行于并垂直于取向PE時對Y6晶體的堆積情況。
圖5.取向和非取向小分子薄膜的載流子遷移率隨溫度的變化。a)ZR1薄膜,b)ZR2-C3薄膜,c,d)Y6的電子和空穴遷移率,以及e)所有小分子ZR1,ZR2-C3和Y6的隨溫度變化的電荷輸運各向異性。
本文成功地實現(xiàn)了在高度取向的PE襯底上通過外延結晶,制備出基于不同取向的共軛小分子的均勻的、高度排列的薄膜。ZR1和ZR2-C3薄膜中的邊向分子沿取向PE襯底的拉伸方向排列有序。ZR1和ZR2-C3薄膜的高度排列確保了各向異性光學(POM)和結構(GIWAXS)特性,其中UV-vis吸收DRS達到最大值5.06和4.17。這些高質量的小分子排列薄膜可使沿排列分子骨架的導電通道的載流子遷移率增加多達0.0991和0.0897 cm2 V?1s?1,這是垂直于分子骨架評估的值的35倍和37倍,是未排列薄膜測量值的近23倍和19倍。這些結果表明,定向PE襯底作為定向誘導襯底具有很大的潛力,可以組合在有機電子器件中,例如OFET結構中。它也為生產大面積、均勻和高度排列的小分子薄膜提供了一種有前景的方法,用于復雜的有機電子學的應用。(文:SSC)???
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