有機(jī)聚合物電化學(xué)晶體管(OECT)因其高跨導(dǎo)、低驅(qū)動(dòng)電壓、水溶液環(huán)境兼容的特點(diǎn)在生物/柔性電子學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。有機(jī)電化學(xué)晶體管通過引入電解質(zhì)層取代傳統(tǒng)的絕緣層，利用離子摻雜活性層薄膜實(shí)現(xiàn)對有機(jī)半導(dǎo)體薄膜載流子濃度的調(diào)控，從而可以在較低驅(qū)動(dòng)電壓下獲得較高電流。然而高性能的電化學(xué)晶體管需要同時(shí)平衡氧化還原化學(xué)、薄膜中電子輸運(yùn)以及離子滲透與傳輸。其中離子的滲透和輸運(yùn)對于目前大部分高遷移率共軛聚合物都是一個(gè)主要問題。因?yàn)閺膫鹘y(tǒng)場效應(yīng)晶體管開發(fā)的聚合物多是疏水的，不利于水溶性溶液中離子的注入，進(jìn)而限制了其電化學(xué)晶體管的性能。
針對高遷移率共軛聚合物較差的離子滲透和遷移能力問題，遲力峰教授課題組與美國西北大學(xué)Tobin Marks課題組合作通過自然誘導(dǎo)的溶液呼吸法構(gòu)筑系列多孔結(jié)構(gòu)活性層以改善共軛聚合物的離子注入能力，提高電化學(xué)晶體管的性能。通過系統(tǒng)對比多孔和致密薄膜的器件性能、電容和開關(guān)速率等性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)基于多孔結(jié)構(gòu)的疏水性DPPDTT和P3HT薄膜， 可獲得相比均勻致密薄膜更高的跨導(dǎo)和更快的開啟速率。此外，多孔形態(tài)同樣可提高親水性聚合物的摻雜程度而得到更高性能的電化學(xué)晶體管。圖1和2分別給出了系列聚合物的多孔薄膜形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)器件性能。
圖1. 本研究用的聚合物分子結(jié)構(gòu)及其多孔結(jié)構(gòu)的SEM、AFM圖 b,e) DPPDTT; c,f) P3HT, d,g) Pg2T-T.
圖2. 基于均勻致密和多孔聚合物薄膜的電化學(xué)晶體管器件結(jié)構(gòu)和器件性能對比圖。
該研究近日以“Porous Semiconducting Polymers Enable High-Performance Electrochemical Transistors”發(fā)表于Adv. Mater. 2021, 2007041。文章的第一作者是遲力峰教授團(tuán)隊(duì)的黃麗珍副教授。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202007041
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