聚合物侧链修饰和元素替换对可用于织物传感的光电器件性能的影响

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在传统的纺织行业与电子、计算机、生物、材料、艺术等行业交叉越来越频繁的环境下,智能纺织品这一新时代的产物诞生了。在智能纺织品中,智能可穿戴设备是一个讨论热点。随着多种智能可穿戴设备的市场化,我们日常的生活变得更加丰富多彩。传感器作为智能可穿戴设备中一个重要部件,其性能的优劣会直接影响智能可穿戴设备的使用效率。场效应晶体管(Field-effect Transistor,FET)是组成传感器逻辑电路的一个重要器件,其具有电流放大和开、关的作用;光电探测器(Photodetector,PD)是光电显示领域中常用的将光信号转化为电信号的媒介,也是传感器中的一个重要组成部分。相较无机材料而言,聚合物半导体材料具有生产成本低、材料性能容易调控、柔性好、制备工艺相对简便等优势,故基于聚合物半导体材料制备的有机场效应晶体管(Organic Field-effect Transistor,OFET)和有机光电探测器(Organic Photodetector,OPD)更适合于智能可穿戴设备的制备。制备性能优异的OFET与OPD器件对制备受市场欢迎的智能可穿戴设备来说是必要的。制备器件原料的性能及制备工艺会影响器件性能,故为制备高性能OFET与OPD器件,本文从这两个角度出发做了如下研究:1、基于三种全给体聚合物PTVTN1、PTVTN2和PTVTN3制备了OFET器件并进行测试,同时借助掠入射广角X射线散射(Grazingincidence Wide-angle X-ray Scattering,GIWAXS)技术与原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)对聚合物薄膜形貌进行研究。研究发现,基于全给体聚合物制备的OFET器件均表现出单极性(p型)特征,表明全给体聚合物利于空穴传输,适合于高性能OFET器件制备。聚合物进行侧链修饰后器件迁移率最高提高三个数量级,表明侧链修饰是一种有效的提高器件性能的方法。聚合物分子结构会影响OFET器件性能,相较于面对面(face-on)的分子堆积方式而言,肩对肩(edge-on)的分子堆积方式更利于OFET器件中载流子传输。2、基于给-受体结合型交替共轭聚合物PCDTFBO、PCDTFBT和PCDTFBSe制备了五种不同导电沟道长度的OFET器件并进行测试,同时借助AFM对聚合物薄膜形貌进行研究。研究发现,对给-受体交替型共轭聚合物进行同主族元素替换可提高OFET器件迁移率和电流开关比,表明元素替换是一种有效的提高器件性能的方法。OFET器件导电沟道长度会影响器件性能,器件迁移率和电流开关比与导电沟道长度成负相关,阈值电压与导电沟道长度成正相关。3、基于给体材料PCIG-BDTT、PCIG-SBDT和受体材料ITIC制备了四种不同活性层厚度的体异质结(Bulk Heterojunction,BHJ)结构的OPD器件并进行测试。研究发现,侧链长度短、最高分子占据轨道(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)能级深的给体聚合物可有效增加空穴注入势垒,提高OPD器件性能。OPD器件活性层厚度会影响器件性能,器件的外量子效率和光电流密度与器件活性层厚度成负相关,暗电流密度与器件活性层厚度成正相关。
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