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

  通過對材料體系的設計，他們將一種多晶共軛聚合物和一種高玻璃化轉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格結構的半導體/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定性，進而保證載流子的高溫傳輸。實驗結果表明，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，穩定在2.0 cm2 / V·s左右（圖2）。

圖1. (A) 半導體聚合物P1絕緣聚合物PVK的化學結構式。（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晶體管器件的轉移特性曲線；（C）高溫對器件開關比以及（D）閾值電壓的影響。

  論文的第一作者，普渡大學化學系博士生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的、被高溫穩定聚合物包裹的網格結構，保證其在高溫下的電荷傳輸穩定性”。他們測試了幾類半導體/絕緣聚合物，發現這一設計具有普適性（圖3）。

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

  普渡大學化工系Brett Savoie 博士認為：“電子器件在高溫下不工作，是限制目前許多器件應用，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定性，是有機電子領域必須要解決的難題，而這個發現是解決這一問題的好方法�！�

  論文合作者之一，復旦大學材料科學系趙巖研究員認為：“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保持性能穩定。這可以填補有機電子器件在極端溫度工作環境，如汽車/飛機引擎、航空航天、鉆井等環境下的應用�！币云�、飛機為例，這些交通工具都裝備有大量電子器件進行安全、環保以及能源消耗監控。但在工作狀態的引擎及排氣系統溫度往往較高，使得現有的很多電子器件必須遠離高溫區域進行遠程監控，并且溫度的變化對傳感的準確性有很強的影響。如果使用高溫可工作，且性能穩定的電子器件，就可以貼近這些高溫區域，獲得更為直觀準確的數據。這一研究結果對未來這一類器件的發展有重要影響（圖4）。

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

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

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