【儀表網 研發快訊】有機聚合物半導體憑借其結構多樣性、電學多功能性和本征機械柔韌性的獨特結合，在可穿戴電子、仿生電子和神經形態電子等領域展現出廣闊的應用前景。單晶是構筑高性能電子器件以及探索材料結構-性能本征關系的理想平臺。但是，聚合物長鏈有序排列需要克服極大的熵懲，同時涉及復雜的動力學過程。盡管外力誘導有助于提升長鏈有序排列，但是難以有效調控單鏈構象。如何平衡單鏈構象和長鏈大面積有序排列的熱力學和動力學限制，制備高質量有機聚合物半導體單晶薄膜，仍然是一個極具挑戰性的科學難題。
針對這些問題，北京大學集成電路學院/集成電路高精尖創新中心賀明研究員團隊提出了納米限域極化誘導(nano-CMDO)通用策略，制備了一系列不同類型的有機共軛聚合物單晶薄膜，包括聚噻吩P3HT、并噻吩均聚物PBTTT、p-型電子供體-受體共聚物DPPT-TT以及n-型電子供體-受體共聚物N2200等，解決了有機共軛聚合物單晶薄膜缺乏通用制備方法的難題。所制備的共軛聚合物單晶薄膜表現出超高的能量有序度，最小的Urbach能量僅為25meV，甚至低于室溫的熱漲落能量kBT=26meV，展現出接近理想狀態的空間限制電流(SCLC)輸運。其中，DPPT-TT單晶薄膜晶體管遷移率達到15.5cm2V-1s-1，是目前文獻報道的最高值，充分展現出共軛聚合物單晶薄膜在先進有機電子器件方面的巨大潛力。
研究團隊利用第一性原理計算，以典型共軛聚合物P3HT為例，模擬在基底自組裝誘導和取向電場極化誘導雙重限域條件下，P3HT分子鏈克服扭轉勢能形成平面鏈結構的動力學過程(圖1a—b)；進一步仿真結果表明，這種雙重限域誘導對于分子結構更加復雜的PBTTT、DPPT-TT和N2000同樣有效，具有廣泛的通用性(圖1c—f)。
圖1. 共軛聚合物分子鏈取向排列動力學仿真
研究團隊通過合成高密度十八烷基三氯硅烷(OTS)單分子自組裝層修飾基底，利用OTS與共軛聚合物烷基側鏈的相互作用，實現基底誘導的共軛聚合物分子鏈空間垂直取向排列，進而結合電場極化誘導取向，制備一系列不同結構的高質量共軛聚合物單晶薄膜(圖2)，并深入解析其生長機制，實驗證明了nano-CMDO方法具有優異的普適性和魯棒性。
圖2. nano-CMDO制備多種典型共軛聚合物單晶薄膜
在此基礎上，研究團隊研究了nano-CMDO制備的共軛聚合物單晶薄膜的電學特性(圖3)。光熱偏轉光譜結果表明，所有共軛聚合物單晶薄膜的Urbach能量均為當前文獻報道的最低值，其中N2200單晶薄膜的Urbach能量低至25meV；此外，共軛聚合物單晶薄膜SCLC器件表現出接近理想狀態的電荷輸運行為；通過優化有機半導體薄膜場效應晶體管制備工藝，DPPT-TT單晶薄膜的晶體管遷移率達到15.5cm2V-1s-1，為其在高性能有機電子器件方面的應用奠定了堅實基礎。
圖3. 共軛聚合物單晶薄膜的電學特性
相關研究成果以“Molecular-Dipole Oriented Universal Growth of Conjugated Polymers into Semiconducting Single-Crystal Thin Films”為題，發表在《自然-通訊》(Nature Communications, 2025, 16, 1509)。北京大學集成電路學院2020級博士生趙春燕、賴錫林以及中國科學院化學研究所2022級博士生劉大尉為共同第一作者，賀明和中國科學院化學所江浪研究員為共同通訊作者。研究工作得到了國家高層次人才特殊支持計劃、國家自然科學基金后摩爾重大研究計劃、國家重點研發計劃、高等學校學科創新引智計劃等項目的資助，并得到了微納電子器件與集成技術全國重點實驗室、集成電路高精尖創新中心、國家集成電路產教融合創新平臺等基地平臺支持。
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