نیمه هادی های پلیمری نوع n با عملکرد بالا، توسعه اخیر، و چالش ها
نیمه هادی های پلیمری نوع n با کارایی بالا (انتقال الکترون یا کانال n) مؤلفه های حیاتی برای تحقق بخشیدن به تجهیزات اپتوالکترونیک آلی مختلف و مدارهای مکمل هستند و پیشرفت اخیر تا حد زیادی عملکرد ترانزیستورهای لایه نازک آلی، سلول های خورشیدی تمام پلیمری و ترموالکتریک های آلی را توسعه داد. این دیدگاه بر توسعه اخیر ساختارهای پلیمری نوع n با کارایی بالا متمرکز است؛ به ویژه آنهایی که بر جدیدترین و دقیق ترین بلوک های ساختاری حاوی الکترون کم، و همچنین عملکرد به دست آمده از تجهیزات فوق متکی هستند. علاوه براین، این دیدگاه بینش ما را در مورد ایجاد سازه جدید پذیرنده الکترون، استراتژی های طراحی پلیمر و همچنین چالش ها و فرصت ها در پیشبرد عملکرد تجهیزات نوع n افزایش می دهد.
نیمه هادی های آلی نوع n (انتقال دهنده الکترون یا کانال n) با توجه به اتصال p-n، مدارهای نیمه هادی مکمل-اکسید-فلز و لایه میانی انتقال دهنده-الکترون در این دستگاه ها مؤلفه های ضروری در دستگاه اپتوالکترونیک آلی محسوب می شوند. به همین منظور، تعداد زیادی از نیمه هادی های آلی اختراع شده است مانند نمونه هایی که بر پایه هر دو مولکول کوچک و پلیمر ساخته شده اند که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. پلیمرها در مقایسه با مولکول های کوچک، می توانند فرمول هایی با خواص تشکیل فیلم، لایه هایی با استحکام مورفولوژیکی بهبود یافته، و فیلم ها یا تجهیزاتی با انعطاف پذیری مکانیکی و کشش پذیری بالا ارائه دهند. پلیمرها بیشتر تابع تکنیک های پردازش محلول محور را به دلیل خواص رئولوژیکی گستردۀ محلول های مربوطه هستند و از این رو، امکان ساخت دستگاه مقرون به صرفه با کارایی بالا و هزینه کم را در مناطق وسیع فراهم می کنند. این خواص می توانند محصولات الکترونیکی جدید مانند نمایشگرهای انعطاف پذیر و قابل کشش، لوازم الکترونیکی عایق و حسگرهای یکبار مصرف را به بازار معرفی کند. بنابراین، توسعه پلیمرهای نوع n با کارایی بالا نقش مهمی در پیشرفت حوزه الکترونیک آلی دارد. برای تحقق بخشیدن به انتقال الکترون کارآمد در نیمه هادی های پلیمری و در نتیجه، رفتار نوع n در دستگاه های مربوطه، سطوح انرژی پایین ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (LUMO) در نیمه هادی برای کارآمدی برای تزریق الکترون کافی (یا تولید)، استخراج و انتقال بار پایدار پایین باشد. برای رفع این نیاز، ستون فقرات پلیمری به طور معمول با گروه های قوی کشنده الکترون (EWG) مانند کربونیل (C=O)، فلوئوین (F) یا فلوئوروکربن و گروه های سیانو (CN) عامل دار شده اند که معمولا تقاضای چشمگیری در ستون فقرات (هترو) آرن تحمیل می کند و تاثیر منفی بر مسطح بودن زنجیره پلیمری دارد. در مولکول های کوچک، این EWG ها را می توان برای به حداقل رساندن مانع فضایی و بهینه سازی ساختار الکترونیکی روی دو حلقه انتهایی نصب کرد همچون الیگوتیوفن های مولکولی کوچک که با فلوروکربن عامل دار شده اند و آرن ها در ترانزیستورهای لایه نازک (TFT) و پذیرنده ها (ITIC و Y6) در سلول های خورشیدی آلی غیرفولرن (OSC). با این حال، چنین طراحی برای پلیمرها مناسب نیست.
مانع فضایی قابل توجه و نبود قدرت انحلال پذیری در برخی EWG های قوی مانند گروه های فلوئوروکربن و CN، دو عامل اصلی در محدود کردن پلیمرهای نوع n و عملکرد آنها هستند. برای پرداختن به این چالش ها، طراحی پلیمری نوع n شامل عاملدار کردن (هترو) آرن های فیوز با EWG های قوی به روشی مطلوب به منظور تولید بلوک های ساختاری فاقد الکترون می شوند که معمولاً با بلوک های معمولی آرن (هترو) یا پل-n برای تهیه پلیمرهای مزدوج p با ساختارهای الکترونیکی مناسب، ساختار ستون فقرات و مورفولوژی های فیلم، ترانزیستورهای لایه نازک آلی با عملکرد بالا (OTFT)، سلول های خورشیدی تمام پلیمری (allPSC) و ترموالکتریک آلی (OTE) ترکیب می شود. بنابراین، کلید توسعه پلیمرهای نوع n ساخت بلوک های سازه ای (هترو) آرن با کمبود شدید الکترون و قابلیت انحلال عالی، هندسه مطلوب، و ساختار الکترونیکی بهینه است. در این دیدگاه، با توجه به شکل زیر، ما مهم ترین و توسعه یافته ترین پلیمرهای انتقال دهنده الکترون و عملکرد نوع n آنها را در دستگاه های مختلف بر اساس واحد کلیدی EWG که برای طراحی بلوک های سازه ای فاقد الکترون به ویژه ایمید، آمید، واحد N و گروه های CN استفاده می شوند، بیان می کنیم.
شکل 1:
ما همچنین به بیان چالش ها و فرصت های طراحی و تکنیک های آنها ارائه می پردازیم. علاوه بر چهار دسته فوق، برخی از بلوک های ساختاری جدید فاقد الکترون همچون تیانوکینوئید، تیادیازولوبنزوتریازول و تیادیازولوکینوکسالین می توانند پلیمرهای انتقال دهنده نوع n را فعال کنند. با این حال، پلیمرهای مربوطه به دلیل توانایی نسبتاً ضعیف در برداشت الکترون، عملکرد محدود پلیمرهای نوع n و یا خواص دوقطبی قابل توجهی را نشان می دهند.
چالش ها و چشم انداز
پیشرفت قابل توجهی در توسعه پلیمرهای نوع n از لحاظ تنوع مواد و عملکرد دستگاه مربوطه مشاهده شده است. با این حال، در مقایسه با آنالوگ های نوع p (انتقال حفره)، پلیمرهای نوع n همچنان از اختلافات زیادی در تنوع ساختاری و عملکردی رنج می برند. پیشرفت های بیشتر اساسا با دو رویکرد ارتقا خواهند بافت: ابداع بلوک های ساختاری جدید فاقد الکترون و پلیمرهای سنتز شده با افزایش بارگذاری واحد (های) پذیرنده در ستون فقرات به منظور بهبود خواص نوع n در مقابل نوع p رقابتی. علاوه بر این، ساختار زنجیره جانبی، گروه های عامل روی واحدهای اهدا کننده (در صورت استفاده)، و تقارن واحد تکرار پلیمر نیز نقش مهمی بر عهده دارند. لازم به ذکر است که ارائه مجموعه ای از دستورالعمل های سخت و جامع برای توسعه پلیمرهای نوع n چالش برانگیز است و انتظار نمی رود همانطور که برای سایر مواد الکترونیکی معمول است، کاربرد آنها به همان نوع دستگاه و معماری آن بستگی داشته باشد. نیروی محرکه اصلی برای توسعه نیمه هادی های پلیمری نوع n طراحی و سنتز (هترو) آرن های فاقد الکترون با LUMO های پایدار و غیرمحلی، کاهش مانع فضایی و قابلیت انحلال است. با این حال، ادغام تمام خواص در یک واحد بلوک سازه ای بسیار دشوار است. تا به امروز، موفق ترین آنها آرن (هترو) های عامل دار ایمید، به ویژه دو واحد NDI و PDI هستند. با این حال، هر دو دارای نواقص متمایز مانند مانع فضایی قابل توجه و LUMO غیرمحلی در پلیمرهای حاصل شده هستند. به عبارت دیگر، پلیمرهای سیانو عامل دار سطوح کم و قابل تنظیم LUMO و جذب عالی در طول موج های بلند و شکاف باند کمتر را نشان می دهند. با این حال، گروه سیانو قابلیت انحلال ندارد که برای ادغام کارآمد در یک دستگاه حیاتی است. علاوه بر نوآوری بلوک سازه ای، طراحی و تکنیک های سنتز پلیمرهای مربوطه از اهمیت یکسانی برخوردارند. مطالعات اخیر نشان داده است که نیمه هادی های پلیمری با محتوای واحد پذیرنده (A) بالاتر در ستون فقرات پلیمری برای عملکرد نوع n مفید هستند مانند لایه فعال در ترانزیستورهای تک قطبی، OTE ها و لایه های سطحی در سلول های خورشیدی پروسکایت (یا آلی). توسعه پلیمرهایی با ستون فقرات A-A-D یا A-A به جای A-D معمولی می تواند به طور موثری سطح LUMO و HOMO پلیمرها را کاهش داده و انتقال الکترون را بهبود بخشد.
