半靛族构筑单元在高分子半导体材料中的应用

Polymer semiconductor devices are light weight, low cost, low temperature processing and flexible. Research on semiconductor polymers has attracted attention recently. Hemi-isoindigo has relatively simple structure and is easy to synthesize. The new polymers based on it have achieved high performance in polymer solar devices. Two series of hemi-indigoid monomers, selenophen based hemi-isoindigo and hemi-trichochrome have been proposed in this plan. The Yamamoto coupling reaction will be used for the polymerization of the new monomers to obtain regio-random polymers. New reagent Knochel-Hauser base will be used for selective hydrogen/metal exchange on new monomers, followed by Kumada-Tamao cross-coupling polymerization to achieve regio-regular polymers. The effect of molecular structure and dipole moment of the polymers on aggregated states, dynamic processes and device performances will be studied. The new monomers proposed in this plan could become a class of important and useful building blocks for high-performance semiconducting polymers.

高分子半导体器件具有质轻、价廉、低温加工和柔性等特点，目前半导体高分子材料的研究受到广泛的重视。半异靛蓝单体具有结构简单和容易合成的特点，在高分子光伏器件中表现出比较高的性能。结合本课题组目前已有的工作基础,针对高分子半导体器件研究对材料的要求，提出了新一代半靛族单体及其共轭高分子的研究方案，这些半靛族单体，包括含硒吩的半异靛蓝单体和半毛发色素单体;提出了使用Yamamoto偶联聚合反应合成无规高分子，避免了一些有机锡单体的使用；提出了使用Knochel-Hauser 碱实现有选择的氢/金属交换，结合Kumada-Tamao偶联聚合反应合成有规的共轭高分子；通过对比研究高分子的规整性和偶极矩对材料结构、动态过程和器件性能的影响，揭示一些材料结构，半导体性质和器件性能间的内在联系，探索共轭高分子设计的规律，力争使这些新单体成为重要的和能被广泛使用的共轭高分子构筑单元。

研究了半异靛蓝和其他靛族分子作为有机半导体材料的构筑单元，合成了一批全新的单体，分析了它们的单晶结构及堆积方式，通过调控材料的能级和吸收，探讨了它们在高分子光伏（OPV），有机场效应晶体管（OFET）和电致变色器件中的应用，总结了靛族材料分子结构和有机半导体器件性能的联系。在研究过程中，我们发现了分子内共振辅助氢键（RAHB）能够提高分子的共平面性和极性，有利于分子在薄膜中的紧密和层状堆砌，初步合成了两个高分子PCTZ-T和PCTZ-B。在OFET器件研究中，PCTZ-T取得了1.98 cm2 V-1s-1的平均载流子迁移率，这是目前含噻唑或并噻唑类高分子材料在P型OFET器件中取得的最高的迁移率；以高分子PCTZ-B为给体，Y6作为受体制备了有机太阳能电池（OPV)，其PCE达到12.9%，这些工作开创RAHB在有机半导体材料中的应用。我们设计合成了以二苯酮为可交联侧链，TFB为主链的光交联空穴传输材料，通过紫外光交联（365 nm）实现了TFB空穴传输层的耐溶剂性。基于交联TFB空穴传输层的红、绿、蓝三基色量子点电致发光（QLED）器件的整体性能明显高于基于未交联TFB薄膜的QLED器件。其中基于旋涂发光层的红光QLED最大外量子效率（EQE）达到21.4%，喷墨打印制备的红光QLED器件EQE达到18.1%，同时使用交联空穴传输层的QLED表现出更长的器件寿命。我们还探索了一批全新的共轭高分子构筑单元和高分子薄膜的交联方法，这些工作都有明确的创新性，它们作为材料的应用前景还需要进一步研究。在本项目的资助下，我们已在国内外期刊上发表了13 篇SCI论文，已申请或授权了6项中国发明专利。