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  近日，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所的江雷院士，吳雨辰博士以及北京師范大學(xué)的朱嘉副教授（共同通訊作者）等人在近期的Advanced Materials期刊上發(fā)表了一篇題為“Solution Adsorption Formation of a π -Conjugated Polymer/Graphene Composite for High-Performance Field-Effect Transistors”的文章。文章主要介紹了一種構(gòu)建π-共軛聚合物/石墨烯復(fù)合材料的方法，這種方法可以避開(kāi)現(xiàn)有的限制并將材料圖案化為一維陣列�；讦泄曹楏w系，可以減小石墨烯和聚合物之間π - π堆積的距離，從而提高電荷傳輸性能。而由于摻入了石墨烯，復(fù)合材料顯示出了熱穩(wěn)定性。一般認(rèn)為，π-共軛復(fù)合物的構(gòu)建表明通過(guò)設(shè)計(jì)制造大面積、低成本、高效率的功能器件將有機(jī)分子和二維材料整合到微結(jié)構(gòu)陣列中是可行的。

圖1 π-共軛聚合物/石墨烯復(fù)合材料的制備方法

a）石墨烯片和共軛聚合物的示意圖。下面列出了三種共軛聚合物的分子結(jié)構(gòu)。 透明的藍(lán)色液體是溶解在1,2-二氯苯中的半導(dǎo)體聚合物CDTBTZ；

b）將石墨烯加入到聚合物CDTBTZ溶液中后，CDTBTZ可以通過(guò)π - π相互作用吸附在石墨烯平面上；

c-e）共軛聚合物在二維石墨烯片表面上吸附之后，采用過(guò)濾和滴加洗滌的方法以保證石墨烯上存在多層共軛聚合物。右側(cè)的插圖是過(guò)濾器上的聚合物/石墨烯復(fù)合材料的圖像；

f）實(shí)驗(yàn)中獲得的粉末（π-共軛聚合物/石墨烯復(fù)合材料）可以在有機(jī)溶劑中均勻再分散，為后續(xù)溶液組裝提供了可能性；

g）CDTBTZ /石墨烯復(fù)合材料和石墨烯的紫外可見(jiàn)光譜；

h）CDTBTZ /石墨烯復(fù)合材料以及CDTBTZ和石墨烯的紅外光譜；

i）CDTBTZ和CDTBTZ /石墨烯復(fù)合材料的循環(huán)伏安曲線(xiàn)分別顯示出1.78和1.22eV的帶隙。

圖2 一維CDTBTZ /石墨烯復(fù)合陣列的機(jī)理與表征

a）將CDTBTZ /石墨烯復(fù)合材料的分散體滴落到具有不對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕性的線(xiàn)柱結(jié)構(gòu)硅基板上并覆蓋平坦基板之后，產(chǎn)生的“三明治形”組裝體系；

b）延伸液體薄膜夾在平底和微柱結(jié)構(gòu)模板之間；

c）固定在微柱頂部的各個(gè)毛細(xì)管橋的形成；

d）一維陣列的聚合物/石墨烯復(fù)合物，在溶劑全部蒸發(fā)之后，在目標(biāo)基底上制備具有受控位置和排列的聚合物/石墨烯復(fù)合物；

e-g）從暗場(chǎng)觀察整個(gè)去濕過(guò)程的顯微鏡俯視圖像；

h）一維結(jié)構(gòu)的SEM圖像具有均勻和精確的位置，相鄰一維條紋之間的間隙均勻，約為5μm；

i）單個(gè)條紋放大后的SEM圖像，顯示出起皺和皺縮的表面形態(tài)；

j,k）從CDTBTZ /石墨烯復(fù)合物的一維結(jié)構(gòu)中可以觀察到吸附在石墨烯上的CDTBTZ和石墨烯；

l）CDTBTZ /石墨烯復(fù)合物，CDTBTZ以及石墨烯的拉曼光譜。

圖3 基于一維陣列的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFETs）的制造

a）與金電極接觸的一維聚合物/石墨烯復(fù)合材料陣列的光學(xué)圖像；

b）具有底柵和頂接觸的OFETs的示意圖；

c，d）一維CDTBTZ /石墨烯復(fù)合陣列的代表性轉(zhuǎn)移和輸出曲線(xiàn)；

e，f）一維CDTBTZ陣列的代表性傳輸和輸出曲線(xiàn)；

g）分別計(jì)算由一維CDTBTZ /石墨烯復(fù)合陣列和一維CDTBTZ陣列制備的50個(gè)OFETs的平均空穴遷移率后得出的概要；

h）基于CDTBTZ-石墨烯共軛分子和CDTBTZ分子器件的溫度依賴(lài)性遷移率。

圖4 π - π堆積距離和分子定向的GIWAXS表征

a）一維CDTBTZ陣列的GIWAXS圖像；

b）具有主要平行于底物的π-π堆積方向的聚合物-聚合物體系中可能的分子堆積的示意圖；

c）在垂直于噻吩環(huán)平面的方向上，聚合物二聚體具有能量最小化的分子結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出π - π堆積距離；

d）聚合物-石墨烯共軛體系中的主要電荷傳輸路線(xiàn)；

e）一維 CDTBTZ /石墨烯復(fù)合陣列的GIWAXS圖像；

f）具有垂直于底物的π-π堆積方向的聚合物-聚合物體系中可能的分子堆積的示意圖；

g）在垂直于噻吩環(huán)平面的方向上，吸附在石墨烯上的聚合物二聚體的能量最小，并顯示出π - π堆積距離；

h）基于聚合物-石墨烯-共軛體系的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的等效電路。

  本文介紹了一種構(gòu)建π-共軛聚合物/石墨烯復(fù)合材料的方法。在π-π相互作用的驅(qū)動(dòng)下，聚合物層可以被吸附到石墨烯平面上。而半導(dǎo)體聚合物和石墨烯的有效利用將有助于低共軛π-共軛聚合物/石墨烯復(fù)合材料的制造。研究人員推測(cè)出石墨烯的π電子平面可以通過(guò)π - π相互作用直接吸附半導(dǎo)體有機(jī)分子，在此基礎(chǔ)上，研究人員通過(guò)采用溶液處理的方法實(shí)現(xiàn)了一種聚合物-石墨烯共軛體系的制備。而這種方法可以解決現(xiàn)有的限制并將材料圖案化為一維陣列。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201705377/full