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有没有发现你的电脑比你还要怕热？炎热的夏天，如果没有空调，开个稍微大型的游戏电脑就可能死机或者重启给你看，没办法只能拆开机箱，把本来吹自己的电风扇拎过去吹电脑主机，然后打赤膊一边淌汗一边打游戏……不打游戏？你可以认真翻翻电脑的说明书，上面一定会在某个角落注明工作温度范围，一般0~35 ℃左右，比你的工作温度范围可收敛的多。

不光CPU，几乎所有电子元件都有高温下“罢工”的问题，主要原因还是它们的材料——以硅为代表的传统无机半导体。经过多年优化，传统无机半导体在环境温度范围内才具有最佳性能。如果温度升高，半导体性能会发生较大变化，导致载流子密度升高、结泄漏和载流子迁移率降低，相关器件的性能也会迅速劣化。在高温条件下改善电子器件的性能和寿命，人们想到了使用宽带隙材料，或者使用主动或被动冷却、热工程封装、元件电隔离等方法。不过，这种改善效果也有限，工作温度范围也就拓宽到-40~85 ℃左右，对于一些温度超过150 ℃的特殊环境，比如航空航天、核反应堆等，现有器件和技术往往无能为力。

图片来源：Purdue University

相比于无机半导体，有机聚合物半导体材料可以更容易地控制组成以及理化性质，而且适当提高的工作温度能够改善电荷传输，提升器件性能。但是，高温条件下有机半导体材料尤其是聚合物半导体薄膜，聚合物形态及分子有序排列都会不可避免的受到破坏，从而影响其性能。这使得传统的聚合物基有机场效应晶体管等电子器件的耐热性能一般，如果工作温度超过150 ℃，性能显著下降且故障频发，无法满足在高温环境下的应用需求。近日，美国普杜大学Jianguo Mei教授和Brett M. Savoie教授等研究者采用“共混策略”，将半结晶共轭聚合物和高玻璃化转变温度（T_g）绝缘聚合物以合适比例混合，制得热稳定的、具有互穿网络的聚合物共混物。这种材料的电荷传输能力对温度变化不敏感，在场效应晶体管中室温至220 ℃的温度范围内薄膜的空穴迁移率都超过2.0 cm²/V•s。这一成果为高温电子器件的开发指出了新的方向。

Jianguo Mei教授（左）和Brett M. Savoie教授（右）。图片来源：Purdue University

将半导体聚合物共混入耐热聚合物主体中是提高其电性能、可加工性、机械性能和环境稳定性的常用策略。基于此理念，研究人员选用吡咯并吡咯二酮-噻吩类高性能共轭聚合物DPP-T（P1，下图A）和高T_g（~220 ℃）绝缘聚合物聚（N-乙烯咔唑）（PVK，下图A），将二者在不同比例下共混，并制成薄膜。原子力显微镜（AFM）测试表明PVK比例为55~65 wt%时，共轭聚合物P1和刚性PVK间可形成互穿通道（下图B）。该类P1-PVK共混膜的电荷传输能力在场效应晶体管中展现出优异的高温稳定性，在室温至220 ℃条件下空穴迁移率都超过2.0 cm²/V•s，最高可达2.5 cm²/V•s（下图C）。

P1-PVK共混膜结构及电荷传输性能测试。图片来源：Science

研究人员进一步采用变温UV-Vis光谱、AFM、掠入射X-射线衍射等测试手段，对不同温度条件下共混膜聚合物内部结构变化进行了详细表征，以解释共混膜这种不同寻常的热稳定性。研究表明，引入PVK组分形成的双连续相结构，有效限制了高温条件下P1链的运动能力，保证了其紧密的分子间相互作用和有序堆叠结构，从而这种具有互穿网络的聚合物共混物才能呈现优异的耐高温电性能。基于P1-PVK（60% PVK）共混物薄膜的场效应晶体管在150 ℃工作6 h后，仍保留初始95 %以上的电荷传输能力，也验证了P1-PVK共混导电聚合物器件优异的耐高温性能。

不同温度热处理对P1-PVK共混膜聚合物结构的影响。图片来源：Science

P1-PVK场效应晶体管150 ℃下性能测试。图片来源：Science

同时，该共混策略中所采用的耐高温聚合物能够进一步拓展至其他结构类似的高T_g聚合物体系，例如：聚碳酸酯（PC）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚苊（PAC）及Matrimid 5218（MI）等。

共混策略拓展至其他耐高温聚合物体系。图片来源：Science

——总结——

Jianguo Mei教授和Brett M. Savoie教授等研究者采用简单的共混策略，有效的提高了有机聚合物半导体器件的高温稳定性。通过优化聚合物共混比例，所得具有互穿网络结构的新型聚合物共混物最高工作温度可达220 ℃。这一策略同时还适用于多种聚合物体系，具有普适性。该成果不仅极大的推动了耐热聚合物半导体材料研究领域的发展，也为其他高分子共混/复合材料的设计提供了启发。经过进一步的验证和改进，或许不用太久，电子器件在高温下不能正常工作的“魔咒”就会被这种简单策略打破。到那时，手机就算不小心掉到火锅里煮了一会，捞起来擦干净，说不定还能接着用。

原文

Semiconducting polymer blends that exhibit stable charge transport at high temperatures

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

导师介绍

Jianguo Mei

https://www.x-mol.com/university/faculty/139

Brett M. Savoie

https://www.x-mol.com/university/faculty/50223