Angewandte Chemie International Edition:新型二维共轭高分子光电材料及器件研究取得新进展

导电高分子的发现开启了塑料电子学研究的新领域,经过过去几十年的不断研究和发展,上百种新型共轭高分子材料被成功设计合成出来,其光电性能也得到了明显提高,在有机场效应晶体管、发光二极管和光伏器件等方面都得到了很好的应用。但是,作为一种准一维共轭的高分子材料体系,在聚集态中,由于分子链间的缠结及无序结构,限制了其有效电荷传输和光电性能的进一步提升。解决这一问题的一种有效策略是将共轭结构由一维拓展到二维,即发展新型二维共轭高分子材料,这一方面有望带来高分子材料光电性能的进一步显著提升,同时也会赋予该材料体系一些优异的性能,譬如良好的柔韧性、机械性能和其它二维材料的新颖特性等。自二维高分子材料概念被提出以来,尽管一些新型二维高分子材料被设计合成出来,并在催化、能源、存储等领域显示了很好的应用前景,但是由于合成方法有限、材料种类少、二维共轭结构拓展不完全、结构规整性差、尺寸小等方面的因素,真正具有优异半导体特性的二维共轭高分子材料体系还很少,限制了其在有机光电器件中的应用研究。

最近,中国科学院化学研究所董焕丽研究员团队发展了一种条件温和、普适性好的界面Suzuki偶联反应法,通过动态界面组装和聚合过程,高效合成了具有拓展共轭结构的新型二维共轭高分子材料2D polytriethyltriindole (2DPTTI),基于材料作为活性半导体层的有机场效应晶体管和有机光控晶体管器件展现了优异的光电性能,推动了二维共轭高分子材料在有机光电器件方面的应用研究。实验中,研究者以具有三重对称性的刚性平面分子2,7-12-tribromo-5,10,15-triethyltriindole (2-BrTTI)和1,4-benzenediboronic acid dipinacol ester (BADE)为前驱体,通过改进的界面Suzuki反应方法,在室温条件下实现了大面积、厚度在2.5 – 40 nm范围可控的二维共轭高分子2DPTTI薄膜的高效制备,进一步通过固体核磁、拉曼、近变吸收光谱、紫外光谱和紫外光电子能谱等多种技术手段对2DPTTI材料的化学组成和能级结构进行了全面表征。以2DPTTI薄膜为半导体层,基于底栅顶接触构筑的有机场效应晶体管和有机光控晶体管器件展现了典型的p型电荷传输特性(饱和空穴迁移率为1.37×10-3 cm2 V-1 s-1),低的阈值电压(< 10 V)和高的开关比(5 × 103);器件在380 nm紫外光照射下显示了优异的光电响应特性,其光灵敏度为3.7 × 103,光响应性达1.4 × 103 A W-1,是目前报道的二维共轭高分子材料光电性能的最高值。此外,该2DPTTI共轭高分子材料还具有明显的质子传感性和发光性能,表明其在多功能有机光电器件方面的潜在应用。这一研究为其它结构多样性二维共轭高分子半导体材料的制备提供了一种新思路,有望促进二维共轭高分子半导体材料及其相关光电器件的快速发展。相关研究结果发表在Angewandte Chemie International Edition 2020,(DOI: 10.1002/anie.202002644)上。