聚合物半导体纳米纤维的多尺度组装与光电器件构筑

The self-assembled polymeric nanofibers were regarded as promising building blocks for the next-generation opto-electronics, because these semiconducting nanostructures typically exhibit excellent charge carrier mobility thanks to the supramolecular ordering inside. So far, the research on the organization of π-conjugated materials across multi length scales has still encountered major challenges, mainly consisting on the device fabrication of those nanofibers. In this proposal, we plan to make use of various micro/nano-fabrication techniques and novel device configurations we developed before, to address the challenge associated with the device construction of nanofibers and in this way, we are enabled to systematically investigate into the relationship between supramolecular ordering and the device properties during the multi-scaled self-assembly. In detail, we will target on commercially available semiconducting polymers like poly(3-hexyl)thiophene (P3HT) and study them in terms of self-assembly, re-dispersion in orthogonal solvent, spreading on water surface, orientation by electrical field, the optoelectronic properties and so on. The objective of our research is for the better control over the ordering across the whole device scales to achieve the breakthrough of device performances. Our research proposal can be helpful to the progress of optoelectronic polymers. Furthermore, this research project will also activate some related new areas like supramolecular electronics and nanoarchitectonics in our team.

基于聚合物半导体材料的自组装纳米纤维，凭借超分子尺度的有序性，展现出优秀的载流子传输能力，有望成为下一代高性能光电器件的理想构建基元。目前高分子光电材料的多尺度组装研究还面临着一些挑战，特别集中在纳米纤维的光电器件构筑方面。本项目拟依托此前积累的微纳加工制备技术和新颖器件构型，通过克服纳米线光电器件的构筑难题，系统地研究纳米纤维在多尺度组装过程中材料有序性与器件功能性之间的构效关系。具体地，拟以聚3己基噻吩(P3HT)等典型的聚合物半导体作为研究载体，探索聚合物半导体纳米纤维的自组装、正交溶剂分散、纤维排布、电场辅助取向及光电器件构筑等一系列跨长度尺度的科学技术问题。研究目标是通过控制聚合物电子/光电器件不同长度尺度上的结构有序性来实现性能上的突破，为聚合物光电半导体材料的进一步发展奠定坚实的基础。另外，此项目的顺利实施还可对相关的新兴领域如超分子电子学、纳米构建术等进行前期的工作积累。

聚合物半导体材料可以通过自组装形成纳米纤维，由于其具有超分子尺度的堆积有序性，载流子传输能力在纤维内得以优化，因而有望作为纳米光电器件的理想构建基元。本面上项目针对半导体性聚合物分子及其它光电功能分子在组装过程中天然具备的多尺度性，以及该特点对材料的器件功能化构筑带来的挑战，开展研究工作，主要研究内容及取得的重要结果包括：1）提出普适性的混合溶剂策略，高效制备自组装纳米纤维。具体地，采取高沸点的良溶剂与低沸点不良溶剂混合，通过比例调节，使功能分子在混合溶剂中的溶解度随温度发生剧烈转变。例如，在氯苯/乙腈(CB/ACN)体积比5：1的混合体系里，70℃温热环境下，聚3-己基噻吩（P3HT）完全形成分子分散态溶液。当温度降至室温25℃，P3HT在CB/ACN中以100%的完全转化率从分子分散状态聚集成纳米纤维（Small 2022, 18, 2105306）；2）研发新型水/空气界面组装技术，并将之命名为“表面张力天平技术(STB)”。此方法利用溶剂表面张力和水的表面张力差，不仅可以拉紧并固定漂浮于水面的纳米纤维，形成致密膜，还可以形成功能分子单层（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 26218−26226）。其用于修饰有机场效应晶体管的关键界面，显著提升器件迁移率达一个数量级以上；3）利用上述纳米纤维组装膜导电性随距离急剧下降的特性，基于半导体纳米纤维组装膜与不对称微纳电极阵列结合(Adv. Mater. 2019, 31, 1900599)，得到一种非三明治型的新颖光伏器件，光照产生超过100V的高光伏电压（Sci. Sin. Chim., 2020, 50, 552–565; Adv. Mater. 2023, 35, 2209482）。总之，在基金委项目的资助下，我们发表和取得的上述研究成果展现了功能分子“自下而上”自组装与微纳器件“自上而下”自对准加工之间的结合，发展新组装方法，开拓非传统、高精度的器件加工技术，提出新型光电元器件，这些成果有望在人造视网膜、人机界面等领域获得应用。同时，财务审核显示，项目经费使用充分、项目支出合规合理。因此，无论从项目实施过程还是从研究成果及论文发表情况来看，项目均已基本或超额实现了申请书中的预期。