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南工張仕明教授課題組與南科大郭旭崗教授課題組合作:高遷移率n型聚合物
2019-11-19  來源:高分子科技

  有機聚合物半導體因其輕質、大面積、低成本和柔性的電子器件而吸引了廣泛的關注,其在有機薄膜晶體管(OTFT)中的載流子遷移率已經接近無機非晶硅的遷移率(0.1-1cm2 V?1 s?1)。然而目前高性能OTFT大多基于p型或雙極型的載流子傳輸特性為主導的材料,n型材料因其缺電子的特性而導致合成上的困難,以及相應器件的不穩定性使得其發展仍然處于相對遲滯的狀態。因此進一步設計與合成n型材料是極其重要的。吡咯并吡咯二酮(DPP)是一種缺電性的高度平面的構建單元,在構建D-A聚合物中被廣為應用,其較低的最低未占據分子軌道(LUMO)以及較平整的分子骨架有利于電子從金屬電極注入到材料內部并在其內部進行傳輸,兩側的富電性噻吩側翼有利于形成分子間D-A相互作用從而提高載流子遷移率。基于DPP的聚合物有機薄膜晶體管器件目前已經有超過10 cm2 V?1 s?1的空穴遷移率,然而其富電子的噻吩卻極大地提升了聚合物的LUMO能級,使之不能很好的與金屬電極的費米能級相匹配,從而限制了電子的注入,降低了器件的n型性能。

  南京工業大學張仕明教授課題組與南方科技大學郭旭崗教授課題組通過將稠合的聯噻吩酰亞胺(BTIn)基團引入到DPP聚合物中,形成三種新型的OTFT活性層材料BTI-DPP、BTI2-DPP和BTI3-DPP。通過DFT理論計算發現BTI2-DPP具有最為平整的分子構型,這有利于形成良好的分子堆積從而促進電荷在分子間的傳輸。

  電化學測試表明隨著BTI單元在一維方向上的延伸,缺電性的酰亞胺結構占比逐漸增加,使得聚合物的缺電性進一步增強,LUMO能級進一步下降,這有利于提高其OTFT器件的n型性能以及器件的空氣穩定性,然而通過紫外可見光譜我們發現BTI3-DPP與另外兩種材料相比有較明顯的吸收藍移,主要是由于共軛骨架較大的扭轉角使得分子內共軛程度降低。

  進一步的原子力顯微鏡和2D掠入射衍射測試表明,薄膜狀態下BTI2-DPP具有最強的分子間相互作用從而獲得了三種聚合物中最高的電子遷移率μe達到0.48 cm2 V?1 s?1。這也是噻吩側翼吡咯并吡咯二酮聚合物的OTFT器件中最高效率之一。該研究結果表明,通過將寡聚的聯噻吩酰亞胺引入聚合物骨架以構建高性能n型OTFT器件是一個行之有效的策略。

  張宇杰唐林靜孫會靚為本文的共同第一作者,相關結果發表在Macromolecular Rapid Communications(DOI: 10.1002/marc.201900394)

  論文鏈接:https://doi.org/10.1002/marc.201900394

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(責任編輯:xu)
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