有機(jī)聚合物半導(dǎo)體因其輕質(zhì)、大面積、低成本和柔性的電子器件而吸引了廣泛的關(guān)注，其在有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）中的載流子遷移率已經(jīng)接近無機(jī)非晶硅的遷移率（0.1-1cm2 V?1 s?1）。然而目前高性能OTFT大多基于p型或雙極型的載流子傳輸特性為主導(dǎo)的材料，n型材料因其缺電子的特性而導(dǎo)致合成上的困難，以及相應(yīng)器件的不穩(wěn)定性使得其發(fā)展仍然處于相對遲滯的狀態(tài)。因此進(jìn)一步設(shè)計與合成n型材料是極其重要的。吡咯并吡咯二酮（DPP）是一種缺電性的高度平面的構(gòu)建單元，在構(gòu)建D-A聚合物中被廣為應(yīng)用，其較低的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）以及較平整的分子骨架有利于電子從金屬電極注入到材料內(nèi)部并在其內(nèi)部進(jìn)行傳輸，兩側(cè)的富電性噻吩側(cè)翼有利于形成分子間D-A相互作用從而提高載流子遷移率；贒PP的聚合物有機(jī)薄膜晶體管器件目前已經(jīng)有超過10 cm2 V?1 s?1的空穴遷移率，然而其富電子的噻吩卻極大地提升了聚合物的LUMO能級，使之不能很好的與金屬電極的費(fèi)米能級相匹配，從而限制了電子的注入，降低了器件的n型性能。
南京工業(yè)大學(xué)張仕明教授課題組與南方科技大學(xué)郭旭崗教授課題組通過將稠合的聯(lián)噻吩酰亞胺（BTIn）基團(tuán)引入到DPP聚合物中，形成三種新型的OTFT活性層材料BTI-DPP、BTI2-DPP和BTI3-DPP。通過DFT理論計算發(fā)現(xiàn)BTI2-DPP具有最為平整的分子構(gòu)型，這有利于形成良好的分子堆積從而促進(jìn)電荷在分子間的傳輸。
電化學(xué)測試表明隨著BTI單元在一維方向上的延伸，缺電性的酰亞胺結(jié)構(gòu)占比逐漸增加，使得聚合物的缺電性進(jìn)一步增強(qiáng)，LUMO能級進(jìn)一步下降，這有利于提高其OTFT器件的n型性能以及器件的空氣穩(wěn)定性，然而通過紫外可見光譜我們發(fā)現(xiàn)BTI3-DPP與另外兩種材料相比有較明顯的吸收藍(lán)移，主要是由于共軛骨架較大的扭轉(zhuǎn)角使得分子內(nèi)共軛程度降低。
進(jìn)一步的原子力顯微鏡和2D掠入射衍射測試表明，薄膜狀態(tài)下BTI2-DPP具有最強(qiáng)的分子間相互作用從而獲得了三種聚合物中最高的電子遷移率μe達(dá)到0.48 cm2 V?1 s?1。這也是噻吩側(cè)翼吡咯并吡咯二酮聚合物的OTFT器件中最高效率之一。該研究結(jié)果表明，通過將寡聚的聯(lián)噻吩酰亞胺引入聚合物骨架以構(gòu)建高性能n型OTFT器件是一個行之有效的策略。
張宇杰、唐林靜和孫會靚為本文的共同第一作者，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Macromolecular Rapid Communications（DOI: 10.1002/marc.201900394）
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