Advanced Functional Materials:含半稠合吡咯并吡咯二酮单元的高性能双极性给-受体共轭聚合物

给-受体共轭聚合物具有结构易修饰、可溶液加工能力、和优异的载流子传输特性,使其在便携质轻的柔性有机电子器件中具有巨大的应用潜力。其中,双极性给-受体共轭聚合物半导体材料可以同时传输空穴(P型)和电子(N型)。因此,人们仅使用一种双极性给-受体共轭聚合物半导体材料,即可代替传统需要两种材料(P型和N型)才能构筑的互补逻辑电路,这极大简化了加工过程。为了寻求高性能的双极性半导体材料,近些年来研究人员开发了许多给-受体双极性共轭聚合物材料。

吡咯并吡咯二酮(DPP)类给-受体聚合物是一类广泛研究的半导体材料。但是,DPP类共轭聚合物的LUMO能级主要位于‒3.2 ~ ‒3.7 eV,与金电极的功函(WF= ~ 5.1 eV)不匹配,导致电子注入的势垒较大,不利于电子传输。因此大多数DPP类聚合物表现为单一的P型传输。

中国科学院化学研究所的张德清课题组将DPP核位一个氮原子与侧基噻吩通过双键连接,另一个氮原子接入长支化烷基链,获得了一种新受体单元:半稠合DPP。他们进一步将该单元与3,4-二氟噻吩共聚合,得到给-受体聚合物PTFDFT。与普通DPP聚合物相比:1)半稠合DPP的高度平面性提升了整个聚合物共轭骨架的刚性和平面性; 2)半稠合DPP仅一端含有烷基链,在保证聚合物溶液加工能力的同时,有效减少了聚合物链间位阻,进而对聚合物的能级及分子间相互作用产生影响。器件结果表明,PTFDFT具有优异的双极性传输性能,在空气氛围中电子和空穴传输迁移率分别达到2.23和1.08 cm2V-1s-1。此外,基于该材料的反相器增益值奕达到141。这一研究结果表明半稠合DPP是一类具有潜力的缺电子受体单元,为多功能给-受体共轭聚合物的构筑提供了新的构筑单元。相关论文以“Half-Fused Diketopyrrolopyrrole-Based Conjugated Donor–Acceptor Polymer for Ambipolar Field-Effect Transistors”为题,在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201910235)上, 通讯作者是张德清研究员,及刘子桐副研究员,第一作者是史丹丹博士。