高迁移率高分子材料及其场效应晶体管的关键科学问题

Conjugated polymers and their field effect transistors (PFETs) have become an import research area due to their many advantages and potential applications. The applicant submit an application to study basically scientific problems in this field. The main ideas of this application are starting from design and synthesis of novel, stable, and high-mobility polymer materials. Our purpose is to obtain excellent conjugated polymers and to develop new polymer system. We will systematically study the basic chemical and physical problems to find new phenomena and regularity, to instruct us to design high-performance polymer materials, and to obtain some innovatived research results. The main research contents contain following: 1) to design and sythesize high-performance conjugated polymers. Change of molecular structures, introduction of substituents and hetero-atoms in the polymer molecules may be used as a handle for enhancement of intermolecular interaction,turning of solubility in organic solvents, forming ability of the thin films, and energy levels of the molecular orbitals. 2) To fabricate the PFETs with high mobility and excellent device stability. We will study the main factors of effect on transport properties of the polymer materials. Various ways could be used to enhance the field effect properties. 3) To fabricate functional PFET devices, including phototransistors, memory devices, and sensors. We will investigate their operation mechanism in depth. 4) To study transport behavior of charge carries and to build their transport modles. We are going to investigate the effect of molecular structures and condensed structures on transporting properties of charge carriers. .The goal of this application is to get a few innovative achievements with intellectual properties, the carrier mobility of the PFETs will reach 10 cm^2/V. s and on/off current ratio greater than 10^6, being one of the leading groups in the world in the area of polymer field-effect transistors.

共轭高分子及其场效应晶体管是一个重要的前沿研究领域，具有广阔的应用前景。针对该领域中亟待解决的科学问题-如何设计综合性能优良的共轭高分子、如何制备高性能稳定的高分子场效应晶体管(PFETs)、如何得到高性能的多功能器件？如何建立分子结构、聚集态结构与载流子传输性能的内在联系？提出了本申请。研究内容包括：设计、合成新型共轭高分子，发展新的高分子体系，获取系列综合性能优良的共轭高分子材料；制备高性能、稳定的PFET器件，实现PFET的多功能；探索在有机电路中的应用；研究分子结构、聚集态结构和载流子传输性能的内在关联，旨在发现一些新现象和新规律，为高迁移率共轭高分子的设计提供理论指导；更深层次的认识器件高性能的机制和载流子传输机理。本项目的目标为取得一些具有自主知识产权的创新性研究成果，PFETs的载流子迁移率达到10 cm^2/V.s,开关比大于10^6，在PFET研究领域中处于世界领先行列。

高分子聚合物半导体材料具有质量轻、柔性好和可溶液法加工等特点，在有机场效应晶体管 (OFET) 和有机太阳能电池 (OSC) 中具有良好的应用前景。目前，如何通过分子结构设计，获得高迁移率（> 10 cm2/Vs）的聚合物半导体材料，以及可控调载流子的传输类型（电子传输n型，空穴传输p型），是聚合物半导体研究的关键科学问题。开发新的聚合物构筑单元与新的合成策略为研究聚合物结构与性能的关系，进而获得高迁移率的高分子聚合物创造条件。为探索有机（聚合物）半导体本征的柔性特征，开发其独特的光电应用等，研究有机场效应晶体管的光电功能及其集成具有很好的实际应用前景。基于此，本项目重点研究了基于我们自行开发的二芳基乙烯单元构筑的系列高分子聚合物，通过引入烷基链改善了高分子聚合物的溶解性（迁移率接近10 cm2/Vs）；通过与萘酰亚胺、引入氰基、氟原子等获得n型及平衡的载流子等。同时，我们发展了新的双受体的合成策略，来调控载流子的类型，同时实现了电子和空穴的高迁移率。基于双DPP的空穴和电子迁移率分别为4.16 和 3.01 cm2/Vs，基于双吡啶[2,1,3]噻二唑的聚合物6.87和8.49 cm2/Vs。我们基于高迁移率的有机（聚合物）半导体材料构筑了超薄、超柔或低操作电压的有机场效应晶体管及电路。还展示出有机（聚合物）半导体在超薄集成光传感器、超薄类视网膜有机传感器件中独特的应用前景等。该项目任务书中有迁移率达到10 cm2/vs，开卡比大于10^6的指标，这个指标我们在项目申请过程已达到（迁移率10.5 cm2/vs，开关比9.2×10^6，Sci. Rep., 2012, 2, 754）。后来，我们以自己设计合成的聚合物半导体材料（PDVT-10）为活性层，经过器件优化，迁移率高达11.0 cm2/Vs（结题报告第16页，Adv. Mater., 2015,26,3631）。无论新材料还是原有材料的器件性能优化，我们都完成了任务指标。项目执行期间取得的成果对新型高性能半导体材料的分子设计与器件应用及集成具有重要的指导意义。