高性能半導(dǎo)體聚合物因為具備很好的商業(yè)應(yīng)用前景而受到越來越廣泛的研究。目前，基于半導(dǎo)體聚合物的薄膜晶體管已經(jīng)實現(xiàn)了超過10cm2 V-1s-1的載流子遷移率，但這類半導(dǎo)體聚合物需要使用有毒的氯化溶劑加工。雖然使用無規(guī)共聚和引入不對稱結(jié)構(gòu)等主鏈工程可以提高半導(dǎo)體聚合物溶解性，但這會降低其分子鏈排列有序性和損耗其電學(xué)性能。相比于主鏈工程，利用側(cè)鏈工程提高半導(dǎo)體聚合物溶解性更加有效，但引入大體積的烷基側(cè)鏈會對聚合物的薄膜形貌、分子堆積和載流子傳輸性能造成不利的影響。因此，急需開發(fā)有效的分子設(shè)計策略以同時提高半導(dǎo)體聚合物的溶解性和電學(xué)性能。
針對提高半導(dǎo)體聚合物的溶解性，合肥工業(yè)大學(xué)王曉鴻副研究員、張國兵副研究員、邱龍臻研究員團隊對氮雜異靛藍基聚合物的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，使用線性雜化硅氧烷基鏈取代支化烷基鏈，顯著提高氮雜異靛藍基聚合物的溶解性。因此，相比于PAIIDBT-C，PAIIDBT-Si不僅可以溶解于氯化和芳香類溶劑，還可以溶解于低毒的烷烴類溶劑。同時，該團隊對氮雜異靛藍基聚合物的主鏈結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，使用氟化聯(lián)噻吩取代聯(lián)噻吩，顯著提高氮雜異靛藍基聚合物的結(jié)晶度和電學(xué)性能。因此，相比于PAIIDBT-C和PAIIDBT-Si，PAIIDBFT-C和PAIIDBFT-Si表現(xiàn)出顯著增強的空穴和電子遷移率。這項研究工作為非氯溶劑加工的高性能半導(dǎo)體聚合物材料的設(shè)計合成提供了一種新的策略。
圖一. PAIIDBT-C, PAIIDBT-Si, PAIIDBFT-C, PAIIDBFT-Si的化學(xué)結(jié)構(gòu)式
采用紫外吸收光譜對聚合物的溶解度進行表征，結(jié)果表明，PAIIDBT-C, PAIIDBT-Si, PAIIDBFT-C, PAIIDBFT-Si 在甲苯溶液中分別表現(xiàn)出4.9，56.2，24.1和80.7 mg mL-1的溶解度。采用AFM和GIXD對聚合物薄膜進行表征，結(jié)果表明，在聚合物骨架引入氟原子能顯著提高聚合物薄膜的結(jié)晶度。同時發(fā)現(xiàn)，PAIIDBT-C和 PAIIDBFT-C采取face-on和edge-on并存的的分子堆積，而PAIIDBT-Si和PAIIDBFT-Si采取edge-on的的分子堆積，表明側(cè)鏈種類對聚合物薄膜分子堆積方式的重要影響。在此，使用烷烴加工的PAIIDBFT-Si薄膜的空穴遷移率達到2.34 cm2 V-1 s-1，這代表了所報道的烷烴加工的聚合物基晶體管中的遷移率最高值。
圖二. (a) 聚合物退火薄膜的AFM圖；(b) 聚合物退火薄膜的2D-GIXD圖；(c)聚合物薄膜的分子堆積方式
該團隊進一步將此線性雜化硅氧烷基鏈引入到異靛藍骨架并合成了三個異靛藍基聚合物，研究了聚合物骨架與硅鏈之間的烷基間隔長度對聚合物的薄膜形貌、分子堆積和載流子傳輸性能的影響。所制備的聚合物(PIID-Cm-Si7, m = 5–7)均表現(xiàn)出極高的溶解性。AFM和GIXD結(jié)果表明，聚合物薄膜的結(jié)晶度和分子堆積有序性隨著烷基間隔長度的增加而增強。因此，隨著烷基間隔長度的增加，所對應(yīng)的聚合物薄膜的載流子傳輸性能逐漸提高，其中，基于PIID-C7-Si7的薄膜晶體管遷移率最高達到1.58 cm2 V-1 s-1。
圖三. (a) PIID-Cm-Si7 (m = 5–7)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式；(b) 不同溶劑加工的PIID-Cm-Si7 (m = 5–7) 基晶體管的載流子遷移率；(c) 基于PIID-C7-Si7的柔性晶體管陣列
以上相關(guān)成果分別發(fā)表在ACS Applied Material Interface (10.1021/acsami.0c11436)和 Chemical Communication (10.1039/d0cc01497d)上。論文的第一作者為合肥工業(yè)大學(xué)光電技術(shù)研究院博士生丁亞飛，通訊作者為王曉鴻副研究員、張國兵副研究員、邱龍臻研究員。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsami.0c11436
https://doi.org/10.1039/d0cc01497d
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