中科院化学所于贵研究员课题组在n-型聚合物半导体材料方面取得新进展

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n-型有机半导体材料对有机p-n异质结和逻辑互补电路的发展是至关重要的。然而，它的发展远落后于p-型有机半导体材料。传统的构建n-型有机半导体材料的方法包括：1）在分子骨架中引入氟原子、氯原子或氰基等吸电子基团；2）在共轭链中引入sp2-杂化的氮原子；3）构建具有醌式结构的分子单元。然而，上述方法依然不能满足我们对n-型有机半导体材料的开发。设计新型的构筑n-型半导体材料的方法及其构效关系的研究对该领域的发展至关重要。基于该目的，于贵研究员团队通过对聚合物分子结构的设计，在共轭骨架上引入三氟甲基吸电子单元，实现了材料由p-型半导体性能向n-型半导体性能的转变。

图1. PAIID-TFBVB-C1、PAIID-TFBVB-C3和PAIID-BVB-C3的化学结构式

该团队详细研究了聚合物的光学性能和电化学性能。结果表明，在共轭骨架中引入三氟甲基单元后，PAIID-TFBVB-C1和PAIID-TFBVB-C3的紫外-可见吸收光谱相比于PAIID-BVB-C3有明显的蓝移，说明三氟甲基的引入拓宽了分子的带隙。电化学表征进一步表明三氟甲基单元的引入有效地降低了分子的前线轨道能级。对PAIID-TFBVB-C1和PAIID-TFBVB-C3而言，LUMO能级与金电极功函之间的能垒减小，有利于电子的有效注入。

图2. 聚合物在溶液态（a）和薄膜态（b）的紫外-可见吸收光谱图及聚合物的循环伏安测试曲线（c）和相应的前线轨道能级示意图（d）

为了进一步研究聚合物材料的半导体性能，该团队制备了相应的场效应晶体管器件。结果表明PAIID-TFBVB-C1和PAIID-TFBVB-C3表现出典型的n-型半导体传输性能，对应的电子迁移率分别为0.11和0.04 cm² V⁻¹ s⁻¹。相反，不含三氟甲基的PAIID-BVB-C3则表现出p-型半导体传输性能，对应的空穴迁移率为0.14 cm² V⁻¹ s⁻¹。结果表明，在聚合物骨架中引入三氟甲基单元使得载流子的传输由空穴传输向电子传输的转变。该研究工作对n-型有机半导体材料的开发提供了新思路。

图3. 基于聚合物薄膜的场效应晶体管的输出曲线和转移曲线

（PAIID-TFBVB-C1（a和b）、PAIID-TFBVB-C3（c和d）和PAIID-BVB-C3（e和f））

以上研究成果发表在Macromolecules

（DOI: 10.1021/acs.macromol.9b00022）上，论文的第一作者为中国科学院化学研究所的博士生魏聪源，通讯作者为于贵研究员。

论文链接：

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/pdf/10.1021/acs.macromol.9b00022

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