梯形并环和杂环类n-型共轭聚合物的合成及其场效应晶体管性能研究

N-type polymer semiconductors with high mobility are one of key materials for fabricating light-weight and flexible organic field-effect transistors (OFET) and organic complementary circuits. However, this kind of materials and its OFET devices are still confronting with some great challenges, including low electron mobility, poor device stability, and unclear charge-transporting mechanism now. In this project, we are particularly interested in the design and synthesis of n-type polymer semiconductors with large π-conjugation structure, high mobility, and excellent solution-processed ability. Therefore, some ladder-type fused-rings, oxadiazole/thiadiazole-based heterocyclic rings, and naphthalene diimides will be chosen as the building blocks for developing largely π-conjugated polymers by modifying their molecular structures and functions. The thin-film crystallinity and π–π stacking would be enhanced by constructing highly π-conjugated and heteroatom-riched polymer backbone, thus facilitating high performance charge transport. Additionally, the effect of polymer structures on the energy levels, aggregate structures, and OFET devices’ performance will also be investigated systematically to study the charge-transporting mechanism of n-type polymers. Combining the reasonable molecular design with device optimization, the scientific issues about n-type polymer semiconductors and theirs OFET devices will be solved finally.

高迁移率的n-型聚合物半导体材料是构造轻质、柔性有机场效应晶体管(OFET)以及有机集成电路的关键功能材料之一。然而，该类材料及其OFET器件还面临着迁移率低、器件稳定性差以及电荷传输机理不明确等科学问题。本项目以开发高迁移率、易溶液法加工、大π共轭的n-型聚合物半导体材料为研究目标，拟设计与合成一系列以梯形并环、噁二唑/噻二唑杂环以及萘酰亚胺为电子受体单元的大π共轭聚合物半导体材料。通过构筑大π共轭的以及富杂原子的聚合物骨架，以加强分子链间的π–π相互作用，获得紧密堆积的结晶薄膜，从而加强该类聚合物材料的电荷传输能力。并围绕该类聚合物的结构和功能调控这一科学问题，系统地研究聚合物的分子结构与其能级结构、聚集态结构以及OFET器件性能之间的构效关系，以探讨该类聚合物的电荷传输机理。将分子设计与器件优化相结合，研究并解决n-型聚合物材料及其OFET器件所面临的相关科学问题。

电子传输型聚合物半导体材料是构造柔性有机场效应晶体管（FETs）以及有机集成电路的关键功能材料，近年来备受关注。本项目通过构筑大π共轭以及富杂原子的聚合物骨架，加强了薄膜的组装能力和结晶性，调控了聚合物的能级结构和载流子注入效率，最终提高了薄膜FETs器件的迁移率和稳定性。本项目主要取得了如下成果：（1）证实了杂原子工程策略是调控萘酰亚胺基聚合物半导体材料的成膜性、能级结构、聚集态结构以及载流子传输性能等参数的有效方法，开发了系列综合性能优异的聚合物半导体材料，制备出了高迁移率、空气稳定的顶栅薄膜FET器件，最高电子迁移率达8.5 cm2 V–1 s–1；（2）提出了等规双受体策略，合成了结构等规的双吡啶噻二唑基强缺电受体，开发了第一个吡啶噻二唑基双极性聚合物半导体材料，获得了超高的空穴和电子迁移率分别达6.87和8.49 cm2 V–1 s–1；（3）提出了通过骨架扭曲单元调控聚合物溶解性、堆积结构和载流子传输性能的分子设计策略。基于骨架扭曲的二茚并噻吩衍生物受体，开发了系列溶解性良好的大π共轭聚合物半导体材料；（4）基于烷基取代四噻吩并蒽电子给体，合成了一类大π共轭聚合物半导体材料，探讨了材料共轭维度及其光电性能之间的关系。已发表标注有本项目编号的论文11篇，其中IF>5的有9篇，包括J. Am. Chem. Soc. 1篇，Adv. Mater. 1篇，Macromolecules 1篇，ACS Appl. Mater. Interfaces 1篇；申请中国专利2项。