复合材料提升塑料电子元件的传输速率

智能手机对于触控的响应速度是由各种显示组件之间电荷的流通速率决定的。伦敦帝国理工学院(Imperial College London，简称 ICL)的科学家们与阿卜杜拉国王科技大学(King Abdullah University of Science and Technology，简称 KAUST)的同仁们将合作制造有机薄膜晶体管 (OTFT)，这些有机薄膜晶体管通过融合两种有机半导体的细致溶液处理方法不断取得创纪录的载流子迁移率。这些有机薄膜晶体管及其处理方法提供了一系列未来的电子应用。
Aram Amassian 教授在阿卜杜拉国王科技大学的研究小组与伦敦帝国理工学院物理系的 Thomas Anthopoulos 博士以及化学系的 Iain McCulloch 教授和 Martin Heeney 博士合作开发并描述了一种可提高电荷流通速率且支持更快的有机晶体管制作的复合材料。他们在发表于《Advanced Materials》上的一篇联合论文中描述了这种新颖的半导体混合物。为应对昂贵的真空沉积工艺的挑战，有机合成化学家在共轭可溶性小分子的合成方面越来越有成效。帝国理工学院的首席研究员 Anthopoulos 博士评论说：“尽管它们有形成大晶体的趋势，但是重复形成高品质、连续且均匀的薄膜仍是一个问题。”相比之下，聚合物半导体常为可溶性的，而且可以形成优质连续薄膜，但直到不久前，聚合物半导体的电荷载流子迁移率还无法高于 1 cm2/Vs。
在这项集体工作中，帝国理工学院的化学家们通过与该大学塑料电子中心的设备物理学家以及阿卜杜拉国王科技大学的材料科学家们共同合作，将聚合物与小分子的优势属性融合到一种复合材料中。这种复合材料的性能比单独拿出来的每一种成分的性能都要高，并且还加强了设备到设备的重现性和稳定性。复合材料的性能之所以能得到提升，其部分原因在于混合物中小分子成分的晶体结构以及多晶薄膜顶面的平整度和光滑度。后者对上闸极、下触式配置设备至关重要，这是因为半导体混合物的顶面在涂上聚合物电介质溶液时形成了半导体电介质界面。对纯净状态下的高度多晶小分子而言，表面光滑连续和缺乏表面晶界这种事情并不常见，这表明聚合物粘合剂可使半导体晶体变得平滑，甚至可能为半导体晶体涂上了纳米级薄层。研究论文的共同作者、阿卜杜拉国王科技大学的 Amassian 教授指出：“聚合物与分子的混合物的性能超过 5 cm2/Vs，这一数据非常接近之前公布的分子本身的单晶体迁移率。”
阿卜杜拉国王科技大学的材料科学家们通过结合使用康奈尔高能同步辐射源 (CHESS) D1 光束线同步辐射 X 射线散射技术、横截面能量过滤透射电子显微镜法 (EF-TEM) 以及地形相位模式原子力显微镜法解决了有机半导体混合物的相位分离、结晶度和形态分析等问题。
斯坦福大学 (Stanford University) 的 Alberto Salleo 教授是聚合物半导体高级结构表征方面的专家，他表示：“这项工作特别令人兴奋，因为它表明了通过将互补性的强大表征技术应用到这些复杂的有机混合物中，你就可以了解很多关于它们是如何起作用的知识。这是结构与属性关系方面的一个研究范例，突出了这类合作的有效性。5 cm2/Vs 的迁移率已经是一个惊人的数字。所描述的方法为研究人员实现更高的迁移率提供了机会。”
Anthopoulos 博士补充说：“原则上说，这种简单的混合方法可以促进有机晶体管的发展，使有机晶体管的功能特性远远超出目前的最高水准。”