半导体薄膜突破！引入聚苯乙烯柔性链使电子迁移速率提高三个数量级

图为聚(P3HT)-b-(PSt)的化学结构和P3HT-b-PSt空穴传输路径图

来自东京农工大学（缩写为TUAT）生物应用与系统工程研究生院的研究人员已经将有机半导体薄膜中的电子运动速度提高了两到三个数量级。据科学家称，速度更快的电子设备可能会改善太阳能和晶体管在世界各地的使用。他们在9月出版的“高分子化学与物理”《Macromolecular Chemistry and Physics》杂志上发表了他们的研究结果。

该团队由TUAT生物应用与系统工程研究生院教授Kenji Ogino领导，他们发现添加聚苯乙烯（通常称为聚苯乙烯泡沫塑料）可以通过让电子快速从一个平面移动到另一个平面来增强半导体聚合物导电性，这个过程称为空穴迁移，是电子在由多层电场组成的电场中移动的过程。当一个原子或分子失去一个电子时，来自另一个平面的电子可以跃迁或下降并占据它的位置。

通过各种成像技术，可以很容易地在晶体结构中确定电子运动轨迹。然而，在许多半导体聚合物中，清晰的晶态骨架与难以界定的非晶区域交织在一起。

“电子在晶畴和非晶区域中传输。为了提高总电子迁移率，有必要控制非晶区域的性质，”Ogino说。“我们发现，随着聚苯乙烯嵌段的引入伴随着刚性非晶区域比例的增加，空穴迁移率得到了极大提高。”

研究人员认为，晶畴内部连接的方式最有效地通过刚性非晶区域连接。聚苯乙烯的加入引入了更多的非定形结构区域，由碳原子和氢原子的柔性链连接。但即使链接是柔性的，它也为非晶区域提供了刚性和一定程度的控制。

电子的移动速度是正常速度的两到三倍。

“在半结晶聚合物中引入柔性链，通过改变非晶区域的特性来改善聚合物薄膜的各种功能是有前景的策略之一，”Ogino说。“我们提出刚性非晶区域在空穴传输过程中起着重要作用。”