GIXRD方法发现导致载流子高迁移率的新型二维π-π堆积薄膜微结构

　　有机薄膜晶体管因其在显示和集成电路方面的潜在应用而得到了越来越多的关注。在器件的制备过程中溶液加工方法具有更容易制备大面积柔性器件的优点，目前已经有很多这方面的研究，一些材料的载流子迁移率已经超过了1 cm2V-1s-1。盘状分子，尤其是酞菁类材料，因为相应的真空沉积技术制备的器件的性能很高，一直是被认为是一种很好的溶液加工用的有机半导体材料，但是基于这种材料的器件的性能一直很低，迁移率只有0.01 cm2V-1s-1。2011年中国科学院长春应用化学研究所耿延侯研究员等人报道了一类新的非外围烷基取代的酞菁氧钒（图1），其中一种构型的样品的载流子迁移率高达0.13 cm2V-1s-1。相关研究成果发表在《先进材料》上。　　

图1 非外围取代四己基取代酞菁氧钒四种同分异构体的化学结构（左）以及基于I-3样品的薄膜晶体管的输出和转移特性曲线。

　表1 不同同分异构体及其混合物的器件性能

　　有趣的是这类材料仅仅 是烷基取代的位置有些变化，但其相应器件的载流子迁移率缺相差很大（表1），有的仅为10-4 cm2V-1s-1，有的却达10-1 cm2V-1s-1。为了揭示其原因首先用常规X射线衍射和原子力显微镜对薄膜进行了表征，但结果发现I-1和I-3的薄膜中都可以形成较大的晶粒，相应的XRD结果都表明薄膜的结晶性比较高，这些结果并未能全面的解释载流子迁移率差别的来源。为了进一步寻找其他的原因，在北京同步辐射1W1A-漫散射站研究人员的帮助下利用二维掠入射X射线衍射(GIXRD)方法表征了不同材料薄膜的三维微结构，发现这两个样品一个形成的是一维p-p堆积，另一个是二维的p-p堆积（图2）。后者的结构更有利于载流子传输，使得迁移率大大提高。　　

图2 I-1和I-3的常规XRD (a,d)、GIXRD (b,e)和堆积示意图(e,f)。

　　这个工作不仅合成出了新的高载流子迁移率的溶液加工用的有机半导体材料，而且从形态上发现了高迁移率材料应该具有的微结构—二维p-p堆积，为进一步的研究工作提供新的思路和方法。

　　发表文章：

　　Shaoqiang Dong, Hongkun Tian,* Lizhen Huang, Jidong Zhang, Donghang Yan,  Yanhou Geng,* and Fosong Wang. Non-Peripheral Tetrahexyl-Substituted Vanadyl Phthalocyanines with Intermolecular Cofacial π – π Stacking for Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors, Adv. Mater. 2011, 23, 2850–2854.