新型吲哚-2-酮类聚合物半导体的设计、合成及其场效应性能研究

Due to the broad and attractive application prospect, polymer semiconductor and their field-effect transistors (FETs) have attracted tremendous attention by domestic and foreign academic institutions and enterprises. The related research has become one of focuses in the field of organic electronics in recent years. Polymer semiconductor materials are the core of the FET devices; their properties determine the performance of the electronic devices. Therefore, the design and synthesis of high performance polymer semiconductor materials are the basis and premise of wide application of such FET devices. Nowadays, the electron mobility and their devices stability of n-type and ambipolar polymer semiconductors still fail to meet the requirement of industrial application. In the proposal, the applicant aims at these key issues and proposes to develop a series of new, planar indolin-2-one-based monomers and polymers, as well as adjusts their energy levels of HOMOs and LUMOs and energy gaps etc., by the introduction of different aromatic building blocks, heteroatoms and other substituent groups, so as to achieve high performance n-type and ambipolar polymer semiconductor materials. Moreover, the applicant would seek to further clarify the structure-property relationship, by the selection and modification dielectric layer of FET devices, the morphology optimization of polymer films, the comparison of device structures and field-effect properties etc. The research project has important scientific significance.

由于广阔而诱人的应用前景，聚合物半导体及其场效应晶体管受到国内外学术机构和企业界的极大关注。相关研究已经成为近年来有机电子学领域的研究热点之一。聚合物半导体材料是该类电子器件的核心，其性质决定了器件的性能。因此设计、合成高性能的聚合物半导体材料是此类场效应晶体管广泛应用的基础与前提。申请者针对目前n?型和双极性聚合物材料的电子迁移率以及器件稳定性尚不能满足工业应用要求等关键问题提出本研究项目申请，以发展一系列新型、平面吲哚-2-酮类单体为切入点，通过引入不同芳香基团、杂原子以及其它基团来调控该系列单体和聚合物的分子HOMOs和LUMOs的能级和能隙等性质，从而达到开发高性能n?型和双极性聚合物半导体材料的目的。同时，也通过器件绝缘层的选取与修饰，聚合物薄膜形貌优化，不同结构场效应晶体管器件构筑与性能比较等，进一步阐明聚合物半导体材料结构与性能之间的关系。该研究工作具有重要科学意义。

聚合物半导体材料具有优良的成膜性，易于采用诸如旋涂，打印以及喷涂等溶液处理法技术低成本、大面积制备有机电子学器件包括有机场效应晶体管，从而受到国内外研究机构和跨国公司的极大关注。目前，聚合物半导体材料及其场效应晶体管器件研究是有机电子学研究领域的焦点和热点之一。本项目针对聚合物半导体材料电子迁移率较低和场效应器件稳定较差等关键性问题，开展了以下两个方面的研究工作：a）发展了多个系列含有吲哚-2-酮结构单元及其衍生结构单元的新型聚合物半导体材料，并其进行知识产权保护。目前申请相关专利 14 项，其中8项已获授权。构筑了多个系列具有高迁移率，空气稳定性的n-型、p-型以及双极性聚合物场效应晶体管器件，其最高空穴和电子迁移率分别为9.54 cm2 V−1 s−1和7.07 cm2 V−1 s−1。b）系统研究了聚合物半导体材料分子内非共价键作用（构象锁）对材料共轭骨架平面性、分子间相互作用力、自组装性能以及场效应性能的影响。发现和归纳了聚合物半导体材料化学结构与场效应性能之间的一般性变化规律，为进一步开发高性能、空气稳定性、可广泛应用的聚合物半导体材料及其场效应晶体管器件奠定了良好的基础。本项目实施期间，共在Adv. Mater.、Chem. Mater.、Macromolecules等国际主流学术刊物上发表研究论文 41 篇。