Small Structures:关于二噻吩并吡喃基共聚物薄膜晶体管中供体-受体和供体-供体型结构的差异

共轭聚合物半导体材料具有重量轻、结构可调、经济性好等优点,并具有大面积和柔性器件的制备潜力,在有机场效应晶体管(OFET)领域受到了极大的关注。通常,共轭聚合物由芳香族的结构单元和增溶烷基侧链组成,因此在设计与合成上具有高灵活性,便于定制不同功能、不同电学特性的半导体聚合物。噻吩(thiophene)是一种含硫的五元环结构,因其具有高极化率和给电子能力,被广泛研究并应用于共轭聚合物中。当相邻噻吩单元以单键连接时,它们之间的旋转可以诱导噻吩聚合物的不同构象,而通过稠环结构将相邻噻吩环完全固定则可以增强π-π堆叠程度,从而增强载流子在分子间的跳跃传输。

目前,研究者已开发了多种稠环噻吩结构,如环戊二噻吩(CDT)和二噻吩并吡喃(DTP)等。基于稠环噻吩的共轭聚合物也已被应用于OFET和OPV等领域。CDT,DTP的结构中含有氧原子,因此具有更强的给电子性质。同时,由于DTP的不对称结构引起的局部偶极矩增加,可使固态材料中的分子堆积更为紧密,从而改善电荷传输性能。但由于烷基侧链和主链上其他单元的选择尚未优化,现有的DTP基共轭聚合物表现出较低的迁移率,为其在有机场效应晶体管的应用带来了挑战。

针对这一问题,韩国蔚山国立科学技术研究院Changduk Yang教授、Seong-Jun Yoon博士,韩国梨花女子大学Byoung Hoon Lee教授及其合作者系统研究了DTP基共轭聚合物的分子设计。他们基于四种不同电子受体设计了四种DTP基共聚物,比较了分子结构对共聚物稳定性、迁移率的影响。

在本工作中,作者首先设计合成了四种共聚物,其中P1和P2为供体-受体(D-A)型,P3和P4为供体-供体(D-D)型。之后,作者进行了热稳定性、光物理性质、电化学性质、电学性质及薄膜微观结构表征。结果表明,D-A型共聚物增强了DTP单元的非对称极性性质,从而增强了聚合物链间的相互作用,使载流子迁移率和热稳定性均增加。基于D-A型结构的共聚物P1在240℃的退火温度下展现了0.22 cm2V-1s-1的高迁移率,为迄今报道的所有DTP基共聚物中的最高值。

(P1-P4的分子结构及其合成策略)

论文信息:

Thermally Stable and High-Mobility Dithienopyran-Based Copolymers: How Donor–Acceptor- and Donor–Donor-Type Structures Differ in Thin-Film Transistors

Seonghun Jeong, Hyeonjin Yoo, Yongjoon Cho, Seong-Jun Yoon*, Byoung Hoon Lee*, Changduk Yang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100024

原创署名:潘奕辰、刘田宇