Nature Communications I 有机聚合物半导体的电子和纳米机械特性的动态自稳定

Dynamic self-stabilization in the electronic and nanomechanical properties of an organic polymer semiconductor

有机聚合物半导体的电子和纳米机械特性的动态自稳定 

  有机电子学领域得益于新的共轭半导体聚合物的发现，这些聚合物包含对构像涨落具有快速还原能力的分子主链，并伴随着通常超过1cm2/Vs基准的电荷载流子迁移率。其中一种聚合物是 C16-IDTBT. Illia Dobryden, Vladimir V. Korolkov等学者组成的研究团队，针对 C16-IDTBT 进行了多项研究，并将研究成果“Dynamic self-stabilization in the electronic and nanomechanical properties of an organic polymer semiconductor”发布在了《Nature Communications》期刊。先前 C16-IDTBT 被认为缺乏微观结构顺序，但实验者在本研究中展示了其薄膜中高阶纳米级畴的直接证据。并且证明了其基于器件的高性能电学和热电学特性不是固有的，而是暴露在环境空气后会迅速稳定。由于正交机制，聚合物的纳米力学性能在更长的时间尺度上达到平衡；残留的低分子量溶剂分子从其表面逐渐渗出。研究人员对这种原型有机半导体的电学、热电和纳米机械特性的准静态时间演化进行了快照，并研究了在竞争时间尺度上发挥的微妙之处。

  通过在高分辨率下探测C16-IDTBT的纳米力学性质并研究其随时间的演化，扩展了对C16-IDTBT多功能性质的理解。而其中，首当其中的测量工具就是原子力显微镜。原子力显微镜不仅能够通过探针在样品表面进行扫描得出表面形貌高度信息，而且还能通过特殊的力学模式进行纳米力学性质的分析和特性扫描。对于C16-IDTBT薄膜纳米级有序性和纳米力学性质的研究都采用了原子力显微镜（AFM）进行。本文将集中关注研究中所使用的原子力显微镜的测量方法。想要得到更全面的了解，请参考链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30801-x

  在环境条件下使用原子力显微镜（AFM）在 C16-IDTBT 薄膜上的350 nm×350 nm区域进行高度及相位图像扫描。在这个分辨率下，相位对比图像已经开始显示出观察到排列的聚合物细丝的微小区域。比例尺为20nm。在这里，聚合物表面的真实空间图清楚地显示了彼此相距30 nm以内的两个区域（以白色圈出）。一个具有显着的顺序，而另一个显示出不明确的顺序。

图1: C16-IDTBT薄膜的纳米结构

  下图显示了在电气和热电装置中使用的相同条件下处理的C16-IDTBT薄膜的纳米机械性能表面图，在环境条件下保持数周不受干扰，以允许残留的低分子量溶剂分子在其自身的挥发性下从表面蒸发。使用帕克公司 NX20 原子力显微镜的 PinPoint纳米力学，利用针尖半径为10nm的探针扫描获得稳定化薄膜的微观形貌、刚度、附着力和弹性模量。该技术使用捕获的力曲线提取各种纳米力学特性，该力曲线绘制了AFM针尖与样品表面在接近和收缩时的相互作用。薄膜具有光滑的纹理，量化的平均模量约为2GPa。在5μm×5μm的扫描范围内，模量看起来非常均匀，这证实了之前的报告。绘制的稳定的 C16-IDTBT 薄膜的纳米级形貌、刚度、粘附力和模量，在上百纳米的长度尺度上，刚度、附着力和模量出现了显着的纹理。在这些小尺度上，平均模量保持相似。

图4: 纳米级机械性能和纳米机械均匀化随时间的变化。

Park NX20原子力显微镜

  在这项研究中进行的形貌、相位、附着力和模量的组合纳米级映射进一步证明，C16-IDTBT除了纳米级无序区域外，还包含高阶区域。对于改善电性能的氧扩散过程以及有助于动态改善可测量纳米力学性能的溶剂分子逐渐渗出的过程，薄膜的非晶态区域可能发挥重要作用。

  AFM 测量是在大气环境下，在 Park Systems NX20 原子力显微镜（Park Systems Corp.，Suwon，Korea）上进行的。高分辨率相位图是使用一种新的更高本征模式方法获得的。PinPoint 纳米力学模式允许在图像的每个像素处同时采集高分辨率形貌图和力-距离曲线。对这些力-距离曲线的进一步自动分析提供了纳米力学特性，例如模量、粘附力、变形、刚度和能量耗散。

Park NX20原子力显微镜

• 为失效分析和实验室提供精确的形貌量测解决方案

•  低噪声Z探测器可精确测量AFM表面形貌

• 用帕克独有的非接触扫描模式节省实验成本

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