基于萘二酰亚胺共轭聚合物的合成及其场效应晶体管性能的研究

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共轭给体-受体(D-A)共聚物已成为有机场效应晶体管理想的一类高性能半导体材料。共轭聚合物由于其独特的溶液可加工性、多样的分子设计和易于调控的能级等优点,在轻质,低成本和大面积柔性电子产品(例如有机场效应晶体管(OFET))方面引起了广泛关注。n(电子传输)-型有机半导体材料在种类及性能等方面的开发远远落后于p(空穴传输)-型半导体材料。萘二酰亚胺(NDI)基团,由于具有高度的共平面性,同时容易被修饰并利于共轭结构,已成为用来设计合成n型有机半导体材料的常见构筑单元,而且NDI类聚合物容易合成、溶解度和结晶性也较好,且与不同的给体合成聚合物可以调控分子的能级,实现不同传输类型。本论文设计合成了以NDI作为受体单元的多个聚合物,并对其表征热稳定性、光学性能、电化学性能、场效应性能等,主要内容与实验结果如下:通过微流控,合成了基于萘二酰亚胺和联二噻吩单元的共轭聚合物。微流控具有大的比表面积和优异的热传递,聚合在110 oC条件下约35分钟内完成。与烧瓶合成相比,微流控显示出高的合成效率和明显缩短的反应时间。使用微流控合成的聚合物表现出更高的分子量,更低的多分散指数和更有序的晶体结构。因此,使用微流控合成法为该聚合物获得了更高的电子迁移率0.77 cm2V-1s-1,Ion/Ioff为106。通过在给体单元上引入不同数目(0,1,2,4)的电负性氮原子,合成了四种基于NDI共轭聚合物。HOMO能级从-5.76 e V降至-5.90 e V以下,有利于阻挡空穴注入半导体层,另外可以提高材料抗氧化性从而增强其稳定性。真空下,所有聚合物器件都表现纯n-型电子传输,其中NDI-TTz T迁移率最高,最大电子迁移率为0.073 cm2V-1s-1。器件NDI-TPh T和NDI-TPd T在空气中表现出双极性传输,而NDI-TPa T和NDI-TTz T在空气中表现的是纯n-型电子传输。研究了这些聚合物薄膜的微观结构发现NDI-TTz T具有最短的π-π堆积距离为3.79?,有效阻止水氧进入薄膜捕获电子载流子,可提高器件性能。
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