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南工张仕明教授课题组与南科大郭旭岗教授课题组合作:高迁移率n型聚合物
2019-11-19  来源:高分子科技

  有机聚合物半导体因其轻质、大面积、低成本和柔性的电子器件而吸引了广泛的关注,其在有机薄膜晶体管(OTFT)中的载流子迁移率已经接近无机非晶硅的迁移率(0.1-1cm2 V?1 s?1)。然而目前高性能OTFT大多基于p型或双极型的载流子传输特性为主导的材料,n型材料因其缺电子的特性而导致合成上的困难,以及相应器件的不稳定性使得其发展仍然处于相对迟滞的状态。因此进一步设计与合成n型材料是极其重要的。吡咯并吡咯二酮(DPP)是一种缺电性的高度平面的构建单元,在构建D-A聚合物中被广为应用,其较低的最低未占据分子轨道(LUMO)以及较平整的分子骨架有利于电子从金属电极注入到材料内部并在其内部进行传输,两侧的富电性噻吩侧翼有利于形成分子间D-A相互作用从而提高载流子迁移率。基于DPP的聚合物有机薄膜晶体管器件目前已经有超过10 cm2 V?1 s?1的空穴迁移率,然而其富电子的噻吩却极大地提升了聚合物的LUMO能级,使之不能很好的与金属电极的费米能级相匹配,从而限制了电子的注入,降低了器件的n型性能。

  南京工业大学张仕明教授课题组与南方科技大学郭旭岗教授课题组通过将稠合的联噻吩酰亚胺(BTIn)基团引入到DPP聚合物中,形成三种新型的OTFT活性层材料BTI-DPP、BTI2-DPP和BTI3-DPP。通过DFT理论计算发现BTI2-DPP具有最为平整的分子构型,这有利于形成良好的分子堆积从而促进电荷在分子间的传输。

  电化学测试表明随着BTI单元在一维方向上的延伸,缺电性的酰亚胺结构占比逐渐增加,使得聚合物的缺电性进一步增强,LUMO能级进一步下降,这有利于提高其OTFT器件的n型性能以及器件的空气稳定性,然而通过紫外可见光谱我们发现BTI3-DPP与另外两种材料相比有较明显的吸收蓝移,主要是由于共轭骨架较大的扭转角使得分子内共轭程度降低。

  进一步的原子力显微镜和2D掠入射衍射测试表明,薄膜状态下BTI2-DPP具有最强的分子间相互作用从而获得了三种聚合物中最高的电子迁移率μe达到0.48 cm2 V?1 s?1。这也是噻吩侧翼吡咯并吡咯二酮聚合物的OTFT器件中最高效率之一。该研究结果表明,通过将寡聚的联噻吩酰亚胺引入聚合物骨架以构建高性能n型OTFT器件是一个行之有效的策略。

  张宇杰唐林静孙会靓为本文的共同第一作者,相关结果发表在Macromolecular Rapid Communications(DOI: 10.1002/marc.201900394)

  论文链接:https://doi.org/10.1002/marc.201900394

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