论文部分内容阅读
电子传输型聚合物半导体材料在有机场效应晶体管(OFETs)、非富勒烯太阳能电池以及有机集成电路等领域中具有广阔的应用前景,但该类材料依然面临着电子迁移率低和受体构建单元稀缺等挑战。本论文基于萘酰亚胺衍生物受体单元,设计并合成了两类新型的萘酰亚胺基电子传输型聚合物半导体材料,并探讨了材料结构与性能之间的内在关系,具体研究内容如下:1.本章节将第二受体(苯并噻二唑杂环或者二氟代苯并噻二唑)引入到萘酰亚胺基共轭聚合物的主链中,设计合成了两类具有A1-D-A2-D构型的萘酰亚胺基电子传输型聚合物半导体材料,具体包含噻吩类聚合物(PNBT和PNBTF)和硒吩类聚合物(PNBS和PNBSF)。研究证实:1)相比噻吩桥连聚合物,硒吩桥连聚合物具有优异的成膜性,并且能够形成自支撑的薄膜;2)引入硒吩和氟原子降低了聚合物的LUMO能级,从而提高了聚合物的电子亲和力;3)硒吩桥连聚合物薄膜表面粗糙度低,利于构造高性能的顶栅薄膜OFET器件;4)在硅衬底上,四个聚合物薄膜均采取混合堆积模式排列,而且硒吩桥连聚合物薄膜π-π堆积距离更短,利于电荷传输。顶栅薄膜OFET器件研究结果表明:1)相比噻吩类聚合物(PNBT和PNBTF),硒吩桥连聚合物(PNBS和PNBSF)的载流子迁移率更高。其中,PNBS展现出最优的空穴和电子迁移率分别高达1.7和8.5 cm2 V-1s-1;2)在聚合物主链中引入氟原子以后,其载流子传输特性从双极性电子传输转变为单极性n-型电子传输特征。其中,含氟的硒吩桥连萘酰亚胺类聚合物半导体(PNBSF)的电子迁移率高达3.5 cm2 V1 s-1。这些研究结果证实:杂原子工程策略是调控萘酰亚胺基共轭聚合物成膜性、能级、聚集态结构以及载流子传输性能等参数的有效方法。2.本章节合成了两类强缺电子能力的杂环电子受体单元,包括萘酰亚胺并吡嗪杂环(NBT-2Br)和萘并吡嗪杂环(APhTQ)。基于NBT-2Br和APhTQ受体单元,我们设计并合成了三个超低带隙的D-A型共轭聚合物(PNBT-2T、PNBT-TT和PAPhTQ),并对比研究了酰亚胺基团对该类共轭聚合物的热稳定性、吸收光谱以及HOMO/LUMO能级的影响。研究结果表明:相比不含酰亚胺取代基团的APhTQ受体单元,强吸电子的酰亚胺基团的引入提高NBT-2Br单元的电子亲和力。因而,NBT-2Br单元获得更低的HOMO/LUMO能级、更低的光学带隙以及更宽的吸收光谱范围。对比研究两类聚合物的吸收光谱数据,我们发现:相比聚合物PAPhTQ的光学带隙(0.98eV),含酰亚胺基团的聚合物PNBT-2T和PNBT-TT的光学带隙更低(0.82 eV和0.76 eV),其最大薄膜吸收边带拓宽至1500 nm以上。循环伏安测试结果表明:聚合物PAPhTQ的HOMO/LUMO能级分别为-5.10/-3.74 eV;相比之下,含酰亚胺基团的聚合物PNBT-2T和PNBT-TT的HOMO/LUMO能级值更低,分别为-5.16/-3.85eV和-5.18/-3.89eV。这些研究结果证实:在聚合物主链中引入强吸电子能力的酰亚胺基团,我们不但可以提高聚合物的电子亲和力,而且还能有效地降低聚合物的光学带隙以及HOMO/LUMO能级值;该类共轭聚合物材料在双极性OFET器件、有机近红外探测器和近红外二区荧光成像等领域中具有潜在的应用前景。