柔性高分子半導體: 力學性能和設(shè)計策略

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

柔性光電子技術(shù)主要是指器件在柔性基板上構(gòu)建?集成具有光電磁功能的一門交叉信息科學技術(shù)?柔性光電器件具有可變形?便攜式?質(zhì)量輕?可穿戴等特性，其本身的柔性超薄特征將使未來的信息技術(shù)設(shè)備產(chǎn)生的突破( 圖 1) [1-6]?與傳統(tǒng)的硅基半導體技術(shù)不同，柔性電子技術(shù)是發(fā)端于碳基的有機半導體技術(shù)，在低成本?大面積制備以及電子設(shè)備的柔性化?超薄等方面具有顯著優(yōu)勢，具有支撐信息科學戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)變革的潛力[4-12]?目前，可用于穿戴電子?電子皮膚以及生物智能等領(lǐng)域的柔性塑料光電子器件，由于其可實現(xiàn)光?電?磁等信息信號的相互轉(zhuǎn)化?互聯(lián)互通，逐漸成為學術(shù)界和工業(yè)界研究的重點和熱點[7-10]，而新型柔性光電功能材料的開發(fā)作為柔性電子技術(shù)的核心內(nèi)容，對于柔性信息顯示?大面積照明?可穿戴感知設(shè)備等光電子器件的發(fā)展至關(guān)重要( 圖 1) [7，9，6-13]?與有機蒸鍍型小分子材料相比，高分子半導體材料由于其可通過溶液加工的方式大規(guī)模構(gòu)筑超薄活性層，可通過化學修飾的方法豐富其功能以及本身良好的力學特性，在未來柔性光電子技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[14-17]?

圖 1 柔性電子技術(shù)的應(yīng)用

眾所周知，目前光電高分子材料是基于稠環(huán)芳烴通過共價鍵或非共價鍵方式連接起來具有特定光電行為的一類功能高分子材料，被譽為第四代高分子材料?傳統(tǒng)高分子材料主鏈主要是以單鍵的形式連接( 如 C-C?C-O?Si-O 等) ，因此主鏈上相鄰的原子并不能形成有效的電子云重疊，無法為載流子提供有效的傳輸通道，而以共軛骨架為組成的分子主鏈在鏈內(nèi)可以通過相鄰稠環(huán)單元間 π-電子軌道相互交迭?雜化，為載流子提供有效的傳輸通道，呈現(xiàn)豐富的光電磁特性( 圖 2) ?此外，分子鏈間的電子云雜化同樣可以誘導分子間的載流子( 電子) 通過跳躍機制發(fā)生遷移，從而使光電高分子材料在宏觀薄膜狀態(tài)下呈現(xiàn)豐富多樣的光電磁行為( 圖 2) ?光電高分子按照組分和導電機制可以分為本征型和摻雜型兩大類?本征型光電高分子材料主要是指材料分子本身具有優(yōu)異的光電特性，分子鏈內(nèi)為載流子的傳輸提供定向離域的傳輸通道，而分子鏈間通過電子耦合雜化為載流子躍遷提供可能，從而使材料本征呈現(xiàn)光電磁行為，可用于各類光電子器件?而摻雜型光電高分子材料主要是指載體高分子不導電或?qū)щ娦暂^弱，通過摻雜引入可導電的分子或者其他高導電的納米材料實現(xiàn)導電行為和發(fā)光行為的材料體系?

圖 2 高分子半導體的導電機制及特性

高分子材料通常是由一系列特殊鏈式結(jié)構(gòu)的大分子組合而成，本身長鏈的分子在固態(tài)下呈現(xiàn)復雜多變的構(gòu)象行為和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)?在外力瞬間作用下，聚合物呈現(xiàn)明顯的滯后?應(yīng)力松弛等粘彈性行為[19，21]?在應(yīng)力作用起始狀態(tài)下，材料應(yīng)變隨著外界應(yīng)力的拉伸逐漸增加，在 A 點之前材料的應(yīng)變與應(yīng)力成正比，因此 A 點也被稱為比例極限點( 圖 3) ；當應(yīng)力超過比例極限點后，應(yīng)變隨著應(yīng)力的增加而增加，但不再保持線性關(guān)系，二者比值逐漸變??；當達到 Y 值時，比值為 0，因此 Y 點也被稱為屈服點?此后，應(yīng)力保持不變的情況，應(yīng)變繼續(xù)增加，直到薄膜斷裂，其中斷裂時的應(yīng)力和應(yīng)變分別稱為斷裂強度和斷裂伸長率?需要注意的是，高分子材料的應(yīng)力應(yīng)變過程存在明顯的分子聚 集 狀 態(tài) 結(jié) 構(gòu) 依 賴性[22-24]?對于結(jié)晶或者取向態(tài)聚集結(jié)構(gòu)，隨著外界作用應(yīng)力的增加，取向片晶通常沿著外力作用方向產(chǎn)生微纖維束的轉(zhuǎn)變過程?而對于無序聚集結(jié)構(gòu)，更傾向于分子鏈間產(chǎn)生相對滑移而屈服，在應(yīng)力作用下容易形成銀紋或者形成具有微區(qū)取向的分子鏈聚集狀態(tài)[4，5，19]?相比于傳統(tǒng)高分子材料，光電高分子材料中強 π-π 堆積作用通常會產(chǎn)生微晶結(jié)構(gòu)，造成材料在應(yīng)力作用下發(fā)生不可逆的分子滑移，導致材料旋涂薄膜在外力拉伸作用下易產(chǎn)生裂痕甚至發(fā)生斷裂，從而降低材料的可拉伸特性?因此，如何有效設(shè)計本征型柔性高分子半導體材料，成為柔性電子研究領(lǐng)域的關(guān)鍵課題和難點[25]?

圖 3 高分子力學行為———應(yīng)力應(yīng)變曲線

自 1977 年發(fā)現(xiàn)共軛高分子以來，高分子半導體在發(fā)光二極管 ( LED) [26-28]?光伏 電 池 ( PV) [29-31]?場效應(yīng)晶體管( FET) [32-33]?存儲器[34]以及化學和生物傳感[35-36]等領(lǐng)域蓬勃發(fā)展?在這些領(lǐng)域中，材料設(shè)計?光電性質(zhì)和器件制備是研究者主要關(guān)注的方向，而隨著材料和器件的性能逐漸趨于理論極限，器件的柔性和可穿戴性逐漸成為研究重點?可以預(yù)見，本征柔性高分子半導體材料在未來具有巨大的應(yīng)用潛力?因此，設(shè)計柔性材料?量化“柔性”參數(shù)并且*終制備柔性器件是目前應(yīng)當關(guān)注的問題[37]?在過去的幾年中，已經(jīng)有一些報道開始研究柔性器件的設(shè)計制備以及相關(guān)薄膜的力學性能測試，例如直接拉伸法[38]?水上膜 ( Film-on-water，F(xiàn)OW) [39-42]和彈性體上膜( Film-on-elastomer，F(xiàn)OE) [42]拉伸測試?正弦屈曲技術(shù)( Buckling technique) [43-44]?納米壓痕技術(shù)( Nano-indentation) [45-46] 以及原子力顯微鏡納米力學圖譜( AFM nanomechanical mapping) [47-48]等?

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  卷柔減反射(AR)玻璃的特點:高透,膜層無色,膜硬度高,抗老化性強(耐候性強于玻璃),玻璃長期使用存放不發(fā)霉,且有一定的自潔效果.AR增透減反膜玻璃產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于**文博展示、低反射幕墻、廣告機玻璃、節(jié)能燈具蓋板玻璃、液晶顯示器保護玻璃等多行業(yè)。
    我們的愿景：卷柔讓光學更具價值！
    我們的使命：有光的地方就有卷柔新技術(shù)！
    我們的目標：以高質(zhì)量的產(chǎn)品，優(yōu)惠的價格,貼心的服務(wù)，為客戶提供優(yōu)良的解決方案。
    上海卷柔科技以現(xiàn)代鍍膜技術(shù)為核心驅(qū)動力，通過鍍膜設(shè)備、鍍膜加工、光學鍍膜產(chǎn)品服務(wù)于客戶，努力為客戶創(chuàng)造新的利潤空間和競爭優(yōu)勢，為中國的民族制造業(yè)的發(fā)展貢獻力量。