近期，中科院合肥物質科學研究院強磁場中心張發培研究團隊提出了強磁場誘導有機材料生長的新策略，并成功實現了高性能半導體聚合物薄膜的結構調控并顯著提高其電荷傳輸能力，相關的系列研究成果分別發表在國際期刊ACS Applied Materials & Interface, Journal of Materials Chemistry C和Applied Physics Letters上。 

　　有效控制有機半導體薄膜中分子取向和薄膜有序性，對實現高性能有機場效應晶體管（OFET）和太陽電池等器件具有關鍵性的作用。而發展高效、高普適性的溶液相成膜技術是實現這一目的的重要途徑。利用磁場來誘導薄膜在宏觀尺度上的分子取向，可作為一種直接、“干凈”手段生長大面積取向的有機薄膜，近年來逐漸引起人們的重視。在之前的研究中，該課題組采用強磁場下溶液涂布方法，首次實現了多種晶態(和半晶態)半導體聚合物薄膜結構和載流子傳輸特性的有效控制，并提出了其薄膜的磁致取向生長機制（Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 5126）。然而這種方法制備的有機薄膜往往存在著形貌和厚度均勻性差、膜厚不可控等問題，嚴重影響薄膜器件的光電性能的可重復性。 

　　針對這一問題，張發培研究團隊首次提出了強磁場下的溶劑蒸汽退火（SVA-HMF）新策略。研究人員先通過溶液旋涂來沉積厚度均勻的“濕膜”，再將其置于含有飽和有機溶劑的密閉容器中、在強磁場下進行“退火”處理，成功地獲得給體-受體(D-A)型共聚物P(NDI2OD-T2)薄膜的大面積(厘米尺度)、高度取向的薄膜織構。微結構表征發現，制備的聚合物薄膜不僅形貌和厚度均勻性得到極大的改善，聚合物骨架鏈取向程度和薄膜結晶性也顯著地優于溶液涂布法制備的薄膜（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 29487）。通過研究SVA-HMF條件對薄膜結構和形貌的影響，提出了強磁誘導溶劑退火調控聚合物薄膜結構的動力學機制。通過制備OFET器件發現，以P(NDI2OD-T2)取向薄膜制備的器件遷移率各向異性高達10²，其電子遷移率較未取向薄膜制備的器件提高1個量級以上。 

　　此外，對另一種分子結構迥異的D-A共聚物PDPP2TBT，SVA-HMF方法同樣可以實現大面積高度取向的薄膜，表明此法在調控半導體聚合物薄膜結構方面具有普適性。磁致取向的PDPP2TBT薄膜呈現高達1.56 cm²/Vs的空穴遷移率（J. Mater. Chem. C 2020, 8, 4477）。變溫的載流子遷移率測量發現，P(NDI2OD-T2)和PDPP2TBT取向薄膜中載流子跳躍運動的熱激活能EA較未取向薄膜有極大的降低，這歸因于磁誘導骨架鏈取向導致形成快速的intra-chain電荷傳導通路，增強了載流子跳躍運動的離域性。 

　　研究人員還發現，在半導體聚合物基體中添加少量（2.0 wt%）的石墨烯納米片，可進一步提高SVA-HMF制備的聚合物薄膜的分子鏈取向程度，能顯著增強OFET器件的載流子各向異性 (Appl. Phys. Lett. 2020, 117, 063301)。這為提高有機半導體/石墨烯基復合材料的光電性能提供了新途徑。 

　　上述工作對深化認識磁場和有機半導體分子間的相互作用機制以及有機半導體薄膜結構與相關器件性能之間的關系有重要意義。所提出的磁誘導薄膜生長方法為發展高性能有機半導體新材料、提升器件光電性能提供了一條有效途徑。 

　　該項研究獲得國家自然科學基金項目和國家重點研發項目的支持。 

　　文章鏈接: https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c02749 

　　https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/5.0006234 

　　https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/tc/c9tc05803f?page=search 

　　圖1 (a) 半導體聚合物P(NDI2OD-T2)和PDPP2TBT的分子結構;（b）強磁場誘導溶劑蒸汽退火(SVA-HMF)生長取向薄膜的過程示意圖。 

　　圖2 （a）基于磁致取向P(NDI2OD-T2)薄膜的TG/BC和BG/BC型OFET器件的轉移曲線；（b-c）P(NDI2OD-T2) (b)和PDPP2TBT（c）取向薄膜OFET的載流子遷移率隨溫度的變化關系。