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  電子器件的發(fā)明，極大地改變了人類的生活。但常見的電子設(shè)備如手機、電腦等，大多只能在一定的溫度范圍內(nèi)工作（-40℃到80℃），超出這個范圍就會出現(xiàn)故障。針對這一問題，普渡大學(xué)Aristide 等通過對材料體系設(shè)計，發(fā)展了一種可在極端溫度下正常工作的聚合物半導(dǎo)體材料體系。根據(jù)他們在 Science上發(fā)表的結(jié)果，這一材料制備的場效應(yīng)晶體管在220℃的溫度下仍能保持性能穩(wěn)定。

  通過對材料體系的設(shè)計，他們將一種多晶共軛聚合物和一種高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的絕緣聚合物以合適的比例混合，制造出一種具有有序穿插網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體/聚合物共混體系（圖1），使其在極端的高溫條件下，可以保持共軛聚合物分子堆積的穩(wěn)定性，進(jìn)而保證載流子的高溫傳輸。實驗結(jié)果表明，使用這種新型材料的薄膜晶體管器件，其空穴遷移率在從室溫到220℃的范圍內(nèi)，穩(wěn)定在2.0 cm2 / V·s左右（圖2）。

圖1. (A) 半導(dǎo)體聚合物P1絕緣聚合物PVK的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。（B）不同比例混合材料的AFM表征圖。

圖2.  （A）在150℃溫度下測量6個小時空穴遷移率；（B）加熱1小時后的P1和P1/PVK晶體管器件的轉(zhuǎn)移特性曲線；（C）高溫對器件開關(guān)比以及（D）閾值電壓的影響。

  論文的第一作者，普渡大學(xué)化學(xué)系博士生Aristide Gumyusenge說：“在這個體系中，一種材料可以傳輸電荷，另一種材料可以承受高溫。制備的關(guān)鍵是找到合適的材料比例，使得傳輸電荷的聚合物可以形成連續(xù)的、被高溫穩(wěn)定聚合物包裹的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，保證其在高溫下的電荷傳輸穩(wěn)定性”。他們測試了幾類半導(dǎo)體/絕緣聚合物，發(fā)現(xiàn)這一設(shè)計具有普適性（圖3）。

圖3.（A）代表性絕緣聚合物的分子結(jié)構(gòu)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度； （B）基于純P1以及P1混合物的場效應(yīng)晶體管，在不同溫度下的空穴傳輸空氣穩(wěn)定性；（C）代表性半導(dǎo)體聚合物的分子結(jié)構(gòu)；（D）基于純P2、P3以及其與PVK和PAC混合物的場效應(yīng)晶體管在不同溫度下的空穴遷移率變化；

  普渡大學(xué)化工系Brett Savoie 博士認(rèn)為：“電子器件在高溫下不工作，是限制目前許多器件應(yīng)用，如太陽能電池，晶體管和傳感器等的主要問題之一。因此提升器件在高溫下的穩(wěn)定性，是有機電子領(lǐng)域必須要解決的難題，而這個發(fā)現(xiàn)是解決這一問題的好方法。”

  論文合作者之一，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系趙巖研究員認(rèn)為：“這個工作重要的不單單是這個材料體系在高溫下能正常工作，而是其在一個很大的溫度范圍內(nèi)保持性能穩(wěn)定。這可以填補有機電子器件在極端溫度工作環(huán)境，如汽車/飛機引擎、航空航天、鉆井等環(huán)境下的應(yīng)用�！币云�、飛機為例，這些交通工具都裝備有大量電子器件進(jìn)行安全、環(huán)保以及能源消耗監(jiān)控。但在工作狀態(tài)的引擎及排氣系統(tǒng)溫度往往較高，使得現(xiàn)有的很多電子器件必須遠(yuǎn)離高溫區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且溫度的變化對傳感的準(zhǔn)確性有很強的影響。如果使用高溫可工作，且性能穩(wěn)定的電子器件，就可以貼近這些高溫區(qū)域，獲得更為直觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。這一研究結(jié)果對未來這一類器件的發(fā)展有重要影響（圖4）。

圖4.高溫穩(wěn)定的電子器件應(yīng)用設(shè)想：太空環(huán)境中，太陽光照下溫度會急劇增加，使得部分電子器件失效，高溫穩(wěn)定的電子器件在這類環(huán)境中有重要應(yīng)用前景。

  以上成果發(fā)表在 Science （Science 2018, 362, 1131.)上。

  論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/362/6419/1131