半导体/绝缘体高分子复合材料的中重度掺杂性质及应用

Insulating-polymers, e.g. polyethylene and polystyrene,are widely used as engineering materials.Integrating insulating-polymers into intrinsic semiconducting-polymers can potentially reduce cost, improve flexibility and transparency as well as environmental stability of polymer-based electronics.In our previous work, we found that weak-moderate doping of semiconductor/insulator blends leads to improvement of transistor performance. In this project, we will investigate the charge transport behaviour of semiconductor/insulator blends with higher doping concentration.For the field-effect transistor application, in order to "switch-off" the device, we plan to 1)optimize the morphology of the blends, 2)use doping gradient in the channel to form effective "pinch-off" region, 3)find bulk insulating matrix as bulk electret to store charges. We will do our best to devlelp these doped blends as a new class of semiconducting composite for improved transistor performance, and composite with high conductivity for tranparent electrode application.

在人们日常生活中广泛使用的绝缘聚合物例如聚乙烯、聚苯乙烯等是非常廉价的通用结构材料，将这些绝缘聚合物材料通过共混或者共聚的方式引入到半导体聚合物材料中（绝缘聚合物含量可高达90%以上）无疑可以 1）降低成本；2） 提高柔韧性和环境稳定性； 3）增加透明度。申请人前期工作首次观察到具有特定形态的半导体/绝缘体聚合物复合材料在低化学掺杂浓度下，具有较好的场效应管性能。本项目在前期工作基础上，继续提高掺杂浓度，实现更高的场效应管器件性能，并探索此类复合材料在透明电极领域的应用。我们计划采用下列方法来实现晶体管的可"关闭"性： 1）优化绝缘体本身的绝缘性质及空间电荷阻隔作用；2）调控源漏电极间的掺杂梯度；3）筛选适当的体相绝缘体作为驻极体。我们的目标是致力于开发出同时具有较高的场效应晶体管性能和较高的电导率的新型高分子复合材料。

掺杂在半导体产业中扮演重要角色，半导体高分子材料较高（中重度）掺杂浓度会引起较高的载流子密度，因此通过有限的栅极电压难以有效调控材料中的自由电荷分布，本项目将绝缘聚合物材料通过共混的方式引入到半导体聚合物材料中（绝缘含量可达90%）。借助绝缘体本身的高电阻、空间电荷阻隔作用以及高电场强度下可击穿带电（形成绝缘驻极体）的独特性质，本项目（半导体/绝缘体高分子复合材料的中重度掺杂性质及应用，批准号：51473132）成员通过栅极电压调控半导体高分子材料的电荷稳态和瞬态分布特性并由此开发出新型的半导体电子器件。他们在国际上首次提出并从实验上观察到了超跨导现象。项目完成后，半导体/绝缘体聚合物混合物的场效应迁移率获得大幅提高，达10 cm^2V^-1s^-1以上，且电流开关比高于10^8, 均明显优于相应的纯半导体薄膜。本项目致力于高分子材料物理及器件应用，按照项目计划书进行，以该项目批准号为第一标注基金的成果已经在材料或物理类著名期刊发表多篇论文，包括1篇Adv. Mater.、2篇Phys. Rev. Applied、2篇Adv. Electron. Mater.、1篇Appl. Phys. Lett、1篇Nano Research，1篇ACS Appl. Mater. Interfaces、1篇Phys. Status Solidi RRL、1篇IEEE J. Electron Dev. Soc.等论文。其中的2篇Phys. Rev. Applied论文（申请人单独通讯作者）跻身于我国高分子材料领域当年在物理一区期刊（中科院分区，物理大类）发表的较少数研究论文之列。研究过程中，研究人员发明了一种材料分析新方法（鲁广昊，鲁万龙，卜腊菊；一种利用等离子体刻蚀原位测量聚合物亚层光谱的方法；申 请 号201610393452X）。借助自主发明的这一技术及仪器，项目负责人已和国内多个课题组合作并共同发表多篇论文：占肖卫教授（合作论文：J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 9140.）；魏志祥研究员（Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1701548）；张浩力教授（Chem. Mater., 2018, 接收）；侯剑辉研究员（AIP Advances, 2017, 7, 045312）等。此仪器目前正在西安茂荣电力设备有限公司生产。