有机离子态多晶薄膜：高霍尔迁移率与类能带输运特性 | NSR

知社学术圈 · 公众号 · · 2024-05-23 08:25

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相比于晶态无机半导体，有机半导体的载流子迁移率通常较低，这源于有机分子间范德华相互作用、氢键和 π - π 相互作用等弱相互作用，导致了分子间距离大， π 轨道重叠小，电子离域困难。增大分子间 π 轨道重叠是提高有机半导体迁移率的关键途径。苝酰亚胺及其衍生物（PDIs）是一种被广泛研究的n型有机半导体，由于苝核的大平面共轭结构，PDIs分子间有较强相互作用，有利于分子间电子的离域，但一定程度上也降低了分子的溶解性，不利于此类材料的溶液加工。

针对这一挑战，研究团队 采用“离子化诱导重构”的策略，实现了分子间强 π - π 作用 与可溶液加工的完美结合，制备了PDI二价离子态（PDI ^2- ）多晶薄膜，并发现了其不同于中性分子的特殊物性。离子态的电子结构和特殊的分子间相互作用使薄膜展现出高霍尔迁移率与类能带输运的特性。相关成果发表于《国家科学评论》（ National Science Review ，NSR），华南理工大学博士生 贾艳华 为论文的第一作者，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室 马於光 教授、 蒋庆林 研究员和物理与光电学院张弜副教授为共同通讯作者。

研究团队发现相比于PDI中性态，PDI ^2- 分子内的电子具有高度离域的特点，且分子间具有更强的 π - π 相互作用（更近的堆积距离达3.25 Å），形成了有序排列的纳米线结构。

PDI ^2- 薄膜结构表征：(a) 有序排列的纳米线SEM图像, (b) 选区电子衍射及其高分辨晶格图像, (c) GIWAXS二维图像, (d) XRD粉末衍射图像。

离子态薄膜的室温电导率为17 S cm ^‑1 ，表现出与中性态不同的p型半导体行为，且展现出类能带输运的特性：即迁移率随温度降低而增加，在150 K时霍尔迁移率达到了3 cm ² V ^-1 s ^-1 。离子态分子间强 π - π 相互作用，高度离域的 π 电子，是形成较大带宽的能带的成因。

PDI ^2- 薄膜的霍尔效应：(a) 霍尔棒和电极结构的光学图像, (b) T = 325 K和150 K时霍尔电压( V _H )随磁场的变化曲线, (c) 载流子浓度随温度的变化曲线, (d) 霍尔迁移率随温度的变化，插图：霍尔迁移率随 T ^-3/2 的变化, (e) PDI离子聚集体中p型类能带输运机制示意图。

以上研究表明：基于离子态构建分子间强相互作用的聚集体是开发高迁移率有机半导体薄膜的有效策略。