多双键链接的噻二唑共轭聚合物的设计、制备及半导体性质研究

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共轭聚合物半导体材料具有成本低,可溶液加工,柔性好以及器件制备程序简单等优点,作为电子元器件的半导体活性层,广泛应用于有机场效应晶体管。高迁移率的共轭聚合物往往需要具备高结晶性,但高结晶性限制了其机械耐受和延展能力,阻碍柔性应用,因此低结晶度高性能的共轭聚合物在柔性电子受到人们的关注,有更好的应用前景。本研究通过改变给受体共轭聚合物的功能单元间的连接方式,在重复单元中引入多个双键,利用其异构化作用,在提升载流子迁移率的同时保持了较低的薄膜结晶性,构建了多双键链接体系的给受体共轭聚合物。并进一步通过调控共轭聚合物的结构要素,例如改变侧链烷基取代基的位置,引入F原子限制双键的构象,以及拓展核心受体单元的共轭体系等方式,对聚合物的薄膜结晶性和半导体特性进行调控,研究聚合物分子结构与载流子迁移率性能间的构效关系。具体研究内容如下:(1)合成了以苯并噻二唑(BT)为吸电子单元,两个噻吩作为供电子单元,通过双键链接的D-A共轭聚合物PTBTV,测得其LUMO和HOMO能级分别为-3.60e V和-5.41 e V。密度泛函理论计算(DFT)计算表明,双键的引入使聚合物PTBTV主链的平面性较单纯的单键连接得到增强。我们制备了基于PTBTV的底栅/底接触OFETs器件,经160℃真空退火优化之后,器件表现出优异的p-型半导体性能:μh=3.2 cm~2 V-1s-1,Ion/off=10~6,VT=-7 V。该载流子迁移率在基于BT-联噻吩聚合物处于最高水平,同时,掠入射X-射线衍射(GIXRD)和原子力显微镜(AFM)结果表明退火优化后的薄膜表现出低结晶度,验证了多双键连接体系构建低结晶度高迁移率共轭聚合物策略的有效性。(2)通过改变共轭聚合物PTBTV中烷基侧链的位置,合成了共轭聚合物PTSBTV,测得到聚合物PTSBTV的LUMO和HOMO能级是-3.63 e V和-5.33 e V。同时,制备了基于PTSBTV的底栅/底接触OFETs器件。在160℃真空退火之后,器件表现出良好的p-型性能:μh=0.62 cm~2 V-1s-1,Ion/off=10~6,VT=-10 V。GIXRD结果表明PTSBTV薄膜具有较强的结晶性,退火优化后结晶度明显高于同样条件下的PTBTV薄膜,但PTSBTV表现出相对PTBTV较低的场效应性能。其原因可能是由于共轭聚合物PTSBTV的分子量较小,如此同时,DFT计算也表明其聚合物主力链骨架呈现较大的起伏,线性程度较低,可能影响其链内的载流子传输。(3)将氟原子引入共轭聚合物PTBTV中,合成了以5,6-二氟苯并噻二唑(DFBT)为吸电子单元的D-A共轭聚合物PTFBTV,测得其LUMO和HOMO能级为-3.60e V和-5.59 e V。通过聚合物PTFBTV和PTBTV相应单体DVFBT和DVBT的单晶数据,我们验证了F原子能与双键连接上的H原子形成C-H…F弱氢键,对其构象进行锁定,强化聚合物PTFBTV主链的平面性,但同时F…F相互作用会导致聚合物分子更倾向于“face on”排列。因此,基于PTFBTV的底栅/底接触薄膜虽然展现出了较强的π-π堆积,但其OFETs器件在经退火优化后的性能仍不及PTBTV:μh=2.0 cm~2 V-1s-1,Ion/off=10~5,VT=-5 V。尽管如此,但该性能仍处于较高的水平,其结晶度也仍相对较低,是一种优良的低结晶度高迁移率材料。(4)拓展了核心电子受体单元的结构,合成了以萘并双噻二唑(NT)为吸电子单元,两个噻吩作为供电子单元,通过双键链接的双极性D-A共轭聚合物PTNTV,测得到聚合物PTNTV的LUMO和HOMO能级是-3.70 e V和-5.30 e V,其LUMO能级较PTBTV及PTFBTV更低。基于PTNTV的底栅/顶接触的OFETs器件展现出了优异的双极性性能,p和n-型端能分别为能够达到μh=1.0 cm~2 V-1s-1,Ion/off=10~3和μe=0.4 cm~2 V-1s-1,Ion/off=10~4。更大的共轭平面并没有带来更强的结晶性,掠入射广角X-射线散射(GIWAXS)和AFM结果表明其薄膜结晶度与PTBTV类似,同样较低。DFT计算则验证了不同双键构象片段间较低的能量差,表明该PTNTV中双键异构化仍对其较低的薄膜结晶性起主要贡献。(5)将氟原子引入共轭聚合物PTNTV中,进行了以4,9-二氟萘并双噻二唑(DFNT)为吸电子单元的D-A共轭聚合物PTFNTV的合成和初步表征。综上,我们成功通过多双键链接体系实现了低结晶度高迁移率共轭聚合物材料的构建。在含噻二唑类单元的多双键共轭体系中,侧链烷基链的位置仍可能极大的影响聚合物的分子结晶,限制双键的异构化;在受体单元中F引入原子,能够与相邻双键上的H原子形成分子内的C-H…F弱氢键,提高聚合物骨架结构的平面性,促进分子间的π-π堆积;拓展受体单元有助于共轭聚合物链间堆积的产生,此外,会降低聚合物的带隙和LUMO能级,有利于n-型性质的稳定。本论文的研究结果为进一步改善多双键链接共轭聚合物体系的性能提供了潜在的修饰方法,为构建低结晶、高迁移率有机半导体材料提供了新的分子设计途径。
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