中科院化学所张德清课题组: 兼具光照图案化和双极性传输性能的吡咯并吡咯二酮共轭聚合物

中国科学院化学研究所张德清课题组将叠氮基团和非共价构象锁分别结合到DPP共轭聚合物的烷基侧链和共轭骨架中，通过碳氢活化聚合的方法成功合成了一种高分子量、低分散性的单组分有机半导体分子，从而在单一共轭聚合物材料上实现了电子传输、空穴传输和光照图案化多个功能的集成，为高性能单组分有机半导体光刻胶提供了一种简单而有效的分子设计策略。图案化对电子器件的集成和应用至关重要，而全溶液加工和光照图案化技术可简化柔性电子器件的制备工艺。中国科学院化学研究所张德清课题组设计合成了含有叠氮基团的吡咯并吡咯二酮（DPP）共轭聚合物，其具备p-型载流子传输性能和光图案化特性，可以有效简化器件制作过程(Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1002/advs.202106087)。双极性有机半导体材料可以进一步简化器件的制备工艺，降低制作成本，有效降低能量功耗，改善噪声和操作稳定性等，从而更方便地构造新颖的光电器件。但是，发展可光照图案化和双极性半导体仍然具有挑战性。近日，张德清课题组报道了一种新型的、兼具双极性传输和光照图案化性能的吡咯并吡咯二酮（DPP）共轭聚合物。将叠氮基团和非共价构象锁分别结合到DPP共轭聚合物的烷基侧链和共轭骨架中，通过碳氢活化聚合的方法成功合成了一种高分子量、低分散性的单组分有机半导体分子 (PFDPPF4T-N₃)。

图1  PFDPP4FT-N₃的化学结构式和合成路线

作者通过旋涂-光照交联-清洗的流程（如图2）制备了经过不同紫外光照时间下的聚合物薄膜，通过吸收光谱研究，优化了紫外光照时间，制备了一系列高质量图案化薄膜。

图2  (a) PFDPP4FT-N₃的光刻工艺流程图解；(b) PFDPP4FT-N₃在紫外光照射(365 nm, 115 mW/cm²)不同时间、并用氯仿冲洗后薄膜吸收光谱的变化；(c) PFDPP4FT-N₃不同形状图案的光学显微镜图像；(d) 三层 PFDPP4FT-N₃逐步图案化的光学显微镜图像

作者研究了PFDPP4FT-N₃的半导体性能，发现该聚合物具有较高的、均衡的双极性半导体特性，空穴和电子迁移率分别高达 1.12 和 1.17 cm² V⁻¹ s⁻¹。值得注意的是，经过光刻图案化流程的PFDPP4FT-N₃图案化薄膜的场效应晶体管器件仍显示出较高的双极性传输性能，其空穴和电子迁移率分别达到 0.66 和 0.80 c cm² V⁻¹ s⁻¹。作者进一步制备了基于PFDPP4FT-N₃的单组分反相器，其增益值可达95。这项工作在单一共轭聚合物材料上实现了电子传输、空穴传输和光照图案化多个功能的集成，为高性能单组分有机半导体光刻胶提供了一种简单而有效的分子设计策略。论文第一作者为中国科学院化学研究所姜文林博士，通讯作者为张德清研究员、兰州大学刘子桐教授。详见: Wenlin Jiang, Xiaobo Yu, Cheng Li, Xisha Zhang, Guanxin Zhang, Zitong Liu*, Deqing Zhang*. Fluoro-substituted DPP-bisthiophene conjugated polymer with azides in the side chains as ambipolar semiconductor and photoresist. Sci. China Chem., 2022, doi: 10.1007/s11426-022-1279-x

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通讯作者简介

张德清 中国科学院化学研究所研究员、博士生导师、所长，中国科学院大学化学科学学院院长。主要从事有机功能材料化学的研究，在响应性功能分子的设计合成及其在分子开关、逻辑门、分子传感方面的应用，以及具有半导体性能的有机共轭分子和高分子的设计合成等方面开展了系统研究，取得了许多有影响的研究成果，在包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等重要国际学术期刊上发表论文400余篇，先后应邀在Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Chem Commun. 撰写研究综述和评述文章，多次应邀在国内外重要学术会议上做大会报告和邀请报告。2002年获得国家杰出青年基金，2005年获得政府特殊津贴，2008年入选国家新世纪百千万人才工程，2010年获全国优秀科技工作者荣誉称号，两次获得国家自然科学二等奖（2008，2014，排名第四）和北京市科学技术一等奖（2015，排名第一）。

刘子桐 兰州大学功能有机分子化学国家重点实验室教授、博士生导师（2020年）。主要从事共轭聚合物的设计与合成，并探索其在有机电子学方面的应用。迄今已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. Adv.等学术期刊发表论文100余篇，授权专利6项。主持国家自然科学基金委项目3项，并参与国家自然科学基金委重大项目及科技部重点研发“纳米专项”等项目。2019年入选中国科学院青年创新促进会优秀会员，并受邀任《中国化学快报》编委会委员（2022-2025）。