有沒有發(fā)現(xiàn)你的電腦比你還要怕熱？炎熱的夏天，如果沒有空調(diào)，開個稍微大型的游戲，電腦就可能死機或者重啟給你看，沒辦法只能拆開機箱，把本來吹自己的電風扇拎過去吹電腦主機，然后赤膊上陣一邊淌汗一邊打游戲……認真翻翻電腦的說明書，上面一定會在某個角落注明工作溫度范圍，筆記本一般是0~35 ℃，比你的工作溫度范圍可收斂的多。

幾乎所有電子元件都有高溫下“罷工”的問題，主要原因還是它們的材料——以硅為代表的傳統(tǒng)無機半導(dǎo)體，它們在環(huán)境溫度范圍內(nèi)才具有最佳性能。如果溫度升高，半導(dǎo)體性能會發(fā)生較大變化，導(dǎo)致載流子密度升高、結(jié)泄漏和載流子遷移率降低，相關(guān)器件的性能也會迅速劣化。為在高溫條件下改善電子器件的性能和壽命，人們想到了使用寬帶隙材料，或者使用主動或被動冷卻、熱工程封裝、元件電隔離等方法。不過，這種改善效果有限，工作溫度范圍可拓寬到-40~85 ℃左右，對于一些溫度超過150 ℃的特殊環(huán)境，比如航空航天、核反應(yīng)堆等，常規(guī)半導(dǎo)體電子器件往往難以正常工作。

圖片來源：Purdue University

相比于無機半導(dǎo)體，有機聚合物半導(dǎo)體材料質(zhì)輕，可溶液加工，可更容易地控制組成以及理化性質(zhì)，而且適當提高的工作溫度能夠改善電荷傳輸，提升器件性能。但是，高溫條件下有機半導(dǎo)體材料尤其是聚合物半導(dǎo)體薄膜，聚合物形態(tài)及分子有序排列都會不可避免的受到破壞，從而影響其性能。這使得傳統(tǒng)的聚合物基有機場效應(yīng)晶體管等電子器件的耐熱性能一般，如果工作溫度超過150 ℃，性能顯著下降且故障頻發(fā)，無法滿足在高溫環(huán)境下的應(yīng)用需求。近日，美國普杜大學(xué)Jianguo Mei教授和Brett M. Savoie教授等研究者采用簡單的“共混策略”，將半結(jié)晶共軛聚合物和高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g）絕緣聚合物以合適比例混合，制得熱穩(wěn)定的、具有互穿網(wǎng)絡(luò)的聚合物共混物。這種材料的電荷傳輸能力對溫度變化不敏感，在場效應(yīng)晶體管中室溫至220 ℃的溫度范圍內(nèi)薄膜的空穴遷移率都超過2.0 cm²/V?s。這一成果為高溫電子器件的開發(fā)指出了新的方向。

Jianguo Mei教授（左）和Brett M. Savoie教授（右）。圖片來源：Purdue University

將半導(dǎo)體聚合物共混入耐熱聚合物主體中是提高其電性能、可加工性、機械性能和環(huán)境穩(wěn)定性的常用策略。基于此理念，研究人員選用吡咯并吡咯二酮-噻吩類高性能共軛聚合物DPP-T（P1，下圖A）和高T_g（~220 ℃）絕緣聚合物聚（N-乙烯咔唑）（PVK，下圖A），將二者在不同比例下共混，并制成薄膜。原子力顯微鏡（AFM）測試表明PVK比例為55~65 wt%時，共軛聚合物P1和剛性PVK間可形成互穿通道（下圖B）。該類P1-PVK共混膜的電荷傳輸能力在場效應(yīng)晶體管中展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，在室溫至220 ℃條件下空穴遷移率都超過2.0 cm²/V?s，最高可達2.5 cm²/V?s（下圖C）。

P1-PVK共混膜結(jié)構(gòu)及電荷傳輸性能測試。圖片來源：Science

研究人員進一步采用變溫UV-Vis光譜、AFM、掠入射X-射線衍射等測試手段，對不同溫度條件下共混膜聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進行了詳細表征，以解釋共混膜這種不同尋常的熱穩(wěn)定性。研究表明，引入PVK組分形成的雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)，有效限制了高溫條件下P1鏈的運動能力，保證了其緊密的分子間相互作用和有序堆疊結(jié)構(gòu)，從而這種具有互穿網(wǎng)絡(luò)的聚合物共混物才能呈現(xiàn)優(yōu)異的耐高溫電性能。基于P1-PVK（60% PVK）共混物薄膜的場效應(yīng)晶體管在150 ℃工作6 h后，仍保留初始95 %以上的電荷傳輸能力，也驗證了P1-PVK共混導(dǎo)電聚合物器件優(yōu)異的耐高溫性能。

不同溫度熱處理對P1-PVK共混膜聚合物結(jié)構(gòu)的影響。圖片來源：Science

P1-PVK場效應(yīng)晶體管150 ℃下性能測試。圖片來源：Science

同時，該共混策略中所采用的耐高溫聚合物能夠進一步拓展至其他結(jié)構(gòu)類似的高T_g聚合物體系，例如：聚碳酸酯（PC）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚苊（PAC）及Matrimid 5218（MI）等。

共混策略拓展至其他耐高溫聚合物體系。圖片來源：Science

——總結(jié)——

Jianguo Mei教授和Brett M. Savoie教授等研究者采用簡單的共混策略，有效的提高了有機聚合物半導(dǎo)體器件的高溫穩(wěn)定性。通過優(yōu)化聚合物共混比例，所得具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型聚合物共混物最高工作溫度可達220 ℃。這一策略同時還適用于多種聚合物體系，具有普適性。該成果不僅極大的推動了耐熱聚合物半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域的發(fā)展，也為其他高分子共混/復(fù)合材料的設(shè)計提供了啟發(fā)。經(jīng)過進一步的驗證和改進，或許不用太久，電子器件在高溫下不能正常工作的“魔咒”就會被這種簡單策略打破。到那時，手機就算不小心掉到火鍋里煮了一會，撈起來擦干凈，說不定還能接著用。

參考文獻：

Semiconducting polymer blends that exhibit stable charge transport at high temperatures

Science, 2018, 362, 1131-1134, DOI: 10.1126/science.aau0759

來源：X-mol