通过侧链官能化有效提高有机给-受体共轭聚合物薄膜的载流子迁移率

有机给-受体共轭聚合物由于具有可溶液加工、柔性以及优异的半导体性能,近年来受到广泛关注。其中,载流子迁移率是表征有机共轭聚合物半导体性能的重要指标。通常认为:烷基侧链仅仅可以改善有机共轭聚合物的溶解性。但是,近年来的研究表明:烷基侧链可以影响共轭主链的排列和薄膜的形貌,进而可影响有机共轭聚合物的半导体性能。

Untitled中国科学院化学研究所张德清研究员课题组提出“官能化侧链”的设计策略,向侧链中引入不同的官能团,以增强共轭主链的相互作用和排列,进而提高共轭聚合物薄膜的载流子迁移率。最近,他们设计并合成了侧链含有亲水性功能侧链(triethylene glycol ,TEG)的基于吡咯并吡咯二酮(DPP)的共轭聚合物PDPP3T-1PDPP3T-2。其中,PDPP3T-1中的每一个DPP单元同时含有烷基链和TEG链,其在聚合物中呈均匀分布,而PDPP3T-2中仅部分DPP单元含有TEG链,其在聚合物中呈随机分布。研究结果表明,TEG链的引入方式对分子间堆积产生了重要影响:PDPP3T-1薄膜表现出更好的结晶性和有序性,共轭高分子采用有利于电荷传输的edge-on堆积方式。场效应晶体管器件研究表明,基于PDPP3T-1的场效应器件在未经任何后处理方式的情况下,其迁移率即可达到2.6 cm2 V-1 s-1,远高于在相同情况下PDPP3T-2和全烷基侧链修饰的聚合物PDPP3T-1薄膜的载流子迁移率。通常共轭聚合物薄膜需要经过高温处理,才可以获得高迁移率,而经过spin-coating制备的PDPP3T-1薄膜就表现为高迁移率。

同时,由于亲水性TEG链的引入,赋予了PDPP3T-1对极性气体发生响应的新功能,其薄膜场效应晶体管器件可成功地用于对乙醇气体的选择性传感,最低检测限达到100 ppb。相关论文在线发表在相关论文在线发表在Advanced Science (2017, 1700048)上。

该研究工作得到了中科院B类先导专项,国家自然科学基金等的资助。

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