研究半结晶聚合物与非晶聚合物添加剂对高迁移率有机半导体晶体结构、稳定性及电滞特性的影响

《Organic Electronics》：Study of Comparative Effects of Semicrystalline and Amorphous Polymer Additives on Crystallinity, Stability and Electrical Hysteresis of High-Mobility Organic Semiconductors

通过比较半结晶聚乙烯醇（PEO）与无定形聚α-甲基苯乙烯（PαMS）对TIPS pentacene的影响，发现PαMS在提升电荷迁移率（达1.08 cm2/Vs）的同时减少电滞和增强空气稳定性，其垂直相分离结构对性能提升起关键作用。研究首次系统对比相同分子量（100K/300K）的结晶与非结晶聚合物添加剂对有机半导体性能的差异化影响。

　　在有机电子器件的发展过程中，小分子有机半导体的电性能提升一直是一个关键课题。为了获得高质量的晶体薄膜，研究人员普遍采用将小分子有机半导体与聚合物添加剂混合的方法。然而，尽管这一技术已被广泛应用，关于相同分子量下半结晶与非晶态聚合物添加剂对有机半导体行为影响的研究仍较为有限，特别是它们对电滞效应和空气稳定性的影响，这在有机薄膜晶体管（OTFT）的工业应用扩展中具有重要意义。因此，本研究旨在填补这一知识空白，系统分析半结晶聚（环氧乙烷）（PEO）与非晶态聚（α-甲基苯乙烯）（PαMS）对6,13-双（三异丙基硅基）并五苯（TIPS pentacene）在结晶性、形貌、电滞效应和空气稳定性方面的具体影响。

TIPS pentacene是一种具有独特半导体特性的材料，被广泛用于研究和开发高性能的有机电子器件。其分子结构中包含的庞大侧基会破坏典型的鱼骨状堆叠结构，而碳-碳三键则在侧基取代基与芳香环之间保持一定距离。这种结构有助于增强π轨道耦合和载流子迁移率，同时提高材料对氧化和降解的抵抗力。在实际应用中，研究人员通过引入聚合物添加剂来进一步优化其性能，这些添加剂可以是半结晶的，也可以是非晶态的。聚合物添加剂的作用不仅限于改善有机半导体晶体的形貌均匀性，还能通过诱导垂直相分离来提升器件的性能稳定性。

本研究选取了PEO和PαMS两种具有代表性的聚合物，它们在结构特性上存在显著差异。PEO作为一种半结晶聚合物，具有较高的结晶度和一定的极性，而PαMS则属于非晶态聚合物，具有较低的极性和良好的疏水性。为了深入研究这些聚合物对TIPS pentacene性能的影响，本研究选择了两种不同的分子量：100,000 g/mol（Mw 100K）和300,000 g/mol（Mw 300K），并测试了不同混合比例下的性能变化。通过系统的实验设计和数据分析，本研究揭示了不同分子量和混合比例对TIPS pentacene结晶性、形貌、电滞效应和空气稳定性的影响规律。

在实验过程中，研究人员首先将TIPS pentacene、PEO和PαMS加入到甲苯中，配制成3 mg/ml的低浓度溶液，并搅拌30分钟以确保溶质的均匀分布。由于PEO的溶解性较好，其溶液在制备过程中需要进行加热处理，以提高其在溶液中的均匀性和稳定性。而PαMS由于其疏水性较强，对溶剂的亲和力较低，因此在混合过程中需要特别注意其分散性。通过调整混合比例和分子量，研究人员能够更有效地控制最终薄膜的性能。

在研究结果中，研究人员发现，PEO虽然能够提高TIPS pentacene的结晶度，但由于其羟基的存在，会导致电荷陷阱的形成，从而引起更大的电滞效应和较差的空气稳定性。相比之下，PαMS不仅能够提升载流子迁移率，还能通过疏水性封装减少电滞效应，并提高空气稳定性。扫描电子显微镜（SEM）进一步显示，TIPS pentacene与PαMS的混合会产生明显的垂直相分离现象，这种现象有助于改善薄膜的性能。当使用50%的PαMS混合比例时，TIPS pentacene的空穴迁移率提高了18倍，达到了1.08 cm2/Vs，这是目前在不采用先进对齐技术或表面活性剂的情况下，TIPS pentacene/PαMS薄膜所实现的最高迁移率。

本研究首次对相同分子量的半结晶与非晶态聚合物进行了对比分析，为理解聚合物类型对有机半导体性能的影响提供了关键的实验依据。通过这一研究，研究人员不仅能够优化有机半导体薄膜的性能，还能为高性能有机电子器件的开发提供理论支持和实验指导。此外，本研究还揭示了不同分子量对聚合物添加剂性能的影响，这在实际应用中具有重要意义。通过选择合适的分子量和混合比例，研究人员能够更有效地控制最终薄膜的性能，从而满足工业应用对稳定性和性能的高要求。

在实验设计方面，研究人员采用了底部栅极、顶部接触的OTFT结构，以确保对载流子迁移行为的准确测量。这种结构中，源极和漏极电极通过有机半导体层相连，意味着载流子需要从电极注入后穿过有机半导体层，才能到达导电沟道。顶部接触的金属电极能够提供更好的接触，有助于提高器件的性能稳定性。此外，研究人员还使用了X射线衍射（XRD）和光学显微镜等手段来分析混合后薄膜的结晶性和形貌变化，以确保实验结果的准确性。

在研究过程中，研究人员还关注了不同聚合物添加剂对有机半导体性能的影响机制。例如，PEO的半结晶特性使其在混合过程中能够诱导局部的结晶行为，从而影响最终薄膜的性能。而PαMS的非晶态特性则使其在混合过程中能够提供更均匀的分散，减少电荷陷阱的形成。这种分散性差异在实际应用中具有重要意义，因为它能够直接影响有机半导体薄膜的电性能和稳定性。此外，研究人员还发现，不同分子量的聚合物添加剂对薄膜的性能影响也存在显著差异。例如，使用300K的PαMS混合比例时，TIPS pentacene的结晶性和形貌得到了显著改善，这可能是由于其分子量较高，能够提供更好的结构稳定性。

在实验结果的分析中，研究人员发现，PEO的加入虽然提高了TIPS pentacene的结晶度，但其羟基的存在导致了电荷陷阱的形成，从而引起更大的电滞效应和较差的空气稳定性。相比之下，PαMS的加入不仅提高了载流子迁移率，还通过疏水性封装减少了电滞效应，并提高了空气稳定性。这种性能差异可能与两种聚合物的结构特性有关，其中PEO的极性较强，容易与有机半导体分子形成氢键，从而影响其电性能。而PαMS的非极性较强，能够减少与有机半导体分子的相互作用，从而改善其电性能和稳定性。

此外，研究人员还发现，不同混合比例对TIPS pentacene的性能影响也存在显著差异。例如，当使用50%的PαMS混合比例时，TIPS pentacene的空穴迁移率提高了18倍，达到了1.08 cm2/Vs，这是目前在不采用先进对齐技术或表面活性剂的情况下，TIPS pentacene/PαMS薄膜所实现的最高迁移率。这一结果表明，通过选择合适的混合比例，研究人员能够显著提升有机半导体薄膜的性能，从而满足工业应用对稳定性和性能的高要求。

在研究过程中，研究人员还关注了不同聚合物添加剂对有机半导体薄膜的结构影响。例如，通过扫描电子显微镜（SEM）观察，研究人员发现，TIPS pentacene与PαMS的混合会产生明显的垂直相分离现象，这种现象有助于改善薄膜的性能。垂直相分离是指在混合过程中，不同组分在垂直方向上形成明显的分层结构，这种结构能够提高薄膜的均匀性和稳定性。相比之下，PEO的加入虽然能够提高结晶度，但由于其极性较强，容易与有机半导体分子形成氢键，从而影响其结构均匀性。

在研究结论中，研究人员指出，通过改变PEO或PαMS的分子量和混合比例，可以有效控制TIPS pentacene的结晶性、形貌、电滞效应和空气稳定性。这些控制手段为有机半导体薄膜的性能优化提供了新的思路。此外，研究人员还发现，不同分子量的聚合物添加剂对薄膜的性能影响存在显著差异，其中300K的PαMS混合比例能够提供更好的结构稳定性和性能表现。这一结果表明，选择合适的分子量和混合比例是提升有机半导体薄膜性能的关键。

综上所述，本研究通过系统分析PEO和PαMS对TIPS pentacene性能的影响，揭示了不同聚合物类型和分子量对有机半导体薄膜性能的调控机制。这些发现不仅有助于优化有机半导体薄膜的性能，还能为高性能有机电子器件的开发提供理论支持和实验指导。通过选择合适的聚合物添加剂，研究人员能够显著提升有机半导体薄膜的稳定性、均匀性和电性能，从而满足工业应用对高性能和高稳定性的需求。这一研究为有机电子器件的未来发展提供了重要的科学依据。