华中科大王帅教授和中科院化学所的郭云龙研究员: 实现高迁移率聚合物半导体分子材料的有效途径

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聚合物半导体材料具有质量轻、柔性好和可溶液加工等特点，在有机场效应晶体（OFET）和有机太阳能电池（OSC）中具有良好的应用前景。半导体材料按其载流子传输类型可分为p型、n型和双极性材料，其载流子分别为空穴、电子、空穴和电子。这三种不同类型的半导体材料在柔性有机电路中都具有独特的应用价值。目前，如何通过分子结构设计实现高迁移率的聚合物半导体材料以及载流子传输特性的有效调节仍然非常困难。

最近，华中科技大学的王帅教授课题组和中国科学院化学研究所的郭云龙研究员/刘云圻院士团队合作，在Advanced Materials 上发表论文，报道了一类高性能的双极性聚合物半导体材料。他们利用二氟连二噻吩（2FBT）单元和含有不同氟原子的异靛蓝（IID）基团共聚，合成了三种氟原子数量依次增加的聚合物 (图1)。 

图1. 基于2FBT给体的聚合物分子结构示意图。

理性的设计调节了材料的分子结构和能级结构，改善电子注入，就可以使p型输运材料变成双极性输运材料。OFET器件测试的结果表明，随着氟原子的增加，PIID-2FBT、P1FIID-2FBT和P2FIID-2FBT分别表现出p型为主、平衡的双极性和n型为主的传输特性（图2a）。其中，P2FIID-2FBT的电子迁移率超过9 cm²•V⁻¹•s⁻¹，是目前最好的结果之一。随着氟原子个数的增加，聚合物分子的最高占有分子轨道（HOMO）能级和最低未占分子轨道（LUMO）能级呈现降低的趋势（图2b）。因此，氟原子的引入改善了由金电极向半导体材料注入电子的能力。

图2.（a）聚合物FET的空穴和电子迁移率；（b）聚合物的HOMO和LUMO能级；（c）理论计算得出聚合物的空穴和电子有效质量，m_e表示一个电子的质量。

他们通过分子内电荷“有效质量 (m*)”的计算，发现氟原子的引入同时减小了空穴和电子的有效质量（图2c）。其中，P2FIID-2FBT空穴和电子的有效质量分别为0.097 m_e和0.116 m_e。可以这样理解“有效质量 (m*)”：施加相同的电压后提供动力，质量小的载流子跑得快。因此，相比其他两种聚合物，P2FIID-2FBT较高的电子迁移率除了归因于更有效的电子注入外，还可以归因于较小的电子有效质量。

该工作报道的3种基于2FBT给体的聚合物均表现出优异的双极性传输特性，证明优异的双极性材料的合理设计非常重要。其中，P2FIID-2FBT的电子迁移率超过9 cm²•V⁻¹•s⁻¹。这一概念对新型高性能半导体材料的分子设计具有指导意义。

论文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702115/abstract

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