电子皮肤导向的光电材料合成与器件构筑研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:CHJ2000
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近年来,电子皮肤因其在医学诊断、人工智能、生物植入设备中的潜在应用,吸引了广大研究者广泛的兴趣。将高性能的压力传感器应用于电子皮肤领域,需要解决如下问题:在低压强区间具有较高的灵敏度,可以得到压力变化的详细信息;高度柔性,可以包覆在弯曲不平的表面;稳定可靠,能够在长期的应用中保持良好的器件性能。最近,多种活性材料已经应用在高性能的压力传感器上,包括碳纳米管、金属纳米颗粒、无机纳米线、织物等。然而,繁复的制备步骤,包括昂贵的光刻设备,高精度的模板极大的提高了器件的成本,制约了器件的大面积重现性,进一步制约了电子皮肤在实际中的应用。迄今为止,采用简易合成的材料、便捷的制备方法制备高灵敏的大面积电子皮肤阵列还面临重大的挑战。本文主要设计合成了两种新型的有机光电材料,碗烯二酰亚胺和芘二酰亚胺;研究了有机光电材料的自组装行为及其光电性质;以有机光电材料CuTCNQ作为活性材料,制备了基于CuTCNQ纳米晶阵列的高性能压力传感器阵列。  本研究主要内容包括:⑴采用钯催化的羰基化反应,一锅法首次合成了一种新型的n型有机半导体材料----碗烯二酰亚胺,并将其应用于n型有机场效应晶体管器件。两个酰亚胺基团的引入,显著的降低了碗烯分子的LUMO能级,使得电子的注入更为容易。同时,碗烯晶体中,主要存在的是C-H…π相互作用,分子之间没有充分的π-π堆积;而在碗烯二酰亚胺晶体结构中,碗烯二酰亚胺分子间呈现“碗扣碗”的π-π堆积,有助于载流子在晶体中的传输。⑵基于钯催化的羰基化反应,一锅法合成了另一种新型的n型有机半导体材料芘二酰亚胺。以π-π相互作用作为分子自组装的内在驱动力,采用溶液法进行自组装,可控得到芘二酰亚胺分别与蒽、荧蒽、芘、苝的1∶1组分的共晶。在这四种共晶中,都有电子发生了部分的转移,转移方式为从给体分子(蒽等共轭小分子)的HOMO轨道转移到受体分子芘二酰亚胺的LUMO轨道。给体分子因失去部分电荷而带正电,受体分子因为得到部分电荷而带等量的负电。因此,在晶体内部会产生电荷偶极,在外加电场的作用下会产生极化翻转,进而表现出特殊的电学性质。⑶采用溶液法可控的制备了CuTCNQ的纳米晶阵列,并将其制备成电阻式的压力传感器。该压力传感器表现出了非常高的灵敏度(6.25 kPa-1)、较快的反应时间(<10 ms)、较低的检测极限(0.73 Pa)、较低的工作电压(1 V)、较低的能耗(<0.1 mW)以及较高的稳定性(>10000次)。这种柔性器件可以用来监控健康信号,比如实时监控挠骨动脉的波形,为制备低成本、可穿戴的电子器件,用以监控、预防和控制心血管疾病开辟了新的道路。
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