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化學所發展出有機高分子半導體高效圖案化新策略

2021-09-22 化學研究所
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  近年來,高遷移率的有機高分子半導體的設計合成研究取得進展。然而,真正將有機高分子半導體的可溶液加工、柔性這些獨特性質應用在集成電路中,仍面臨困難。在集成電路中,半導體的圖案化可以降低柵極漏電流,避免相鄰器件間的串擾,降低電路整體功耗。而當前針對有機高分子半導體的大面積、高集成度的圖案化方法較少。此外,器件在全溶液加工過程中涉及的多種材料對非正交溶劑的耐受性較差,上層材料的加工過程會破壞下層材料。利用分子設計實現有機高分子半導體的可控光化學交聯是解決上述問題的方案之一,而設計合成高效的化學交聯劑至關重要。

  近日,中國科學院化學研究所有機固體重點實驗室研究員張德清課題組設計合成了一種新的雙吖丙啶類交聯劑4CNN(圖1a),實現了有機高分子半導體的高效圖案化,為全溶液加工柔性電路提供了新思路。這種“四臂”型交聯劑4CNN具有以下優點:雙吖丙啶類化合物在紫外光照射或加熱條件下能夠高效產生活性卡賓中間體,并能迅速與其鄰近的C(sp3)-H鍵高效地發生插入反應,從而實現化學交聯,在無紫外光照和常溫條件下該類化合物具有較好的穩定性;4CNN分子構型呈四面體型,四個活性雙吖丙啶基團均勻分布在四面體的頂點上,同時該分子本身不含C(sp3)-H鍵,這些結構特點賦予其高效的交聯能力,降低了交聯劑的用量;不同于已報道的疊氮類交聯劑,4CNN通過卡賓的插入反應實現高分子側鏈交聯不會引入氮等雜原子。

  研究以四種高性能聚合物半導體為例(圖1c),細致優化條件,發現在交聯劑添加量不大于3%(w/w)時,通過365 nm紫外光(30 mW/cm2)照射交聯劑和聚合物的共混薄膜僅40秒便可實現p-型、n-型和雙極性共軛聚合物的高效交聯,交聯后的薄膜在氯仿溶液中不溶解。具體圖案化過程為:將交聯劑和聚合物半導體溶液共混,通過旋涂-掩膜-紫外光照-氯仿清洗四個步驟,可以實現一種材料的高精度圖案化,并可以實現不同材料的多層圖案化集成。

  研究進一步通過AFM和GIWAXS圖發現四種聚合物薄膜交聯前后的形貌和鏈間排列并未發生明顯變化,并通過場效應晶體管器件對以上四種聚合物的矩形圖案陣列的電荷傳輸性能進行表征。與未加交聯劑的半導體薄膜相比,圖案化薄膜的遷移率保留率可達60%-91%,同時四種聚合物交聯前后的遷移率、閾值電壓的分布并未明顯變化。此外,兩步圖案化可以構筑基于PDPP4T和N2200的反相器。該研究為有機高分子半導體的高效圖案化提供了新策略。

  相關研究成果發表在Angewandte Chemie International Edition上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部和中科院的支持。

  圖1.(a)交聯劑4CNN的化學結構式及其光化學交聯機制;(b)有機高分子半導體烷基側鏈的交聯示意圖;(c)四種代表性有機高分子半導體的化學結構式

圖2.PDPP4T的圖案化過程及圖形的顯微鏡照片和原子力顯微鏡圖

打印 責任編輯:侯茜

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