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合肥工业大学在非氯溶剂加工的高性能半导体聚合物上取得新进展
2020-09-10  来源:高分子科技

  高性能半导体聚合物因为具备很好的商业应用前景而受到越来越广泛的研究。目前,基于半导体聚合物的薄膜晶体管已经实现了超过10cm2 V-1s-1的载流子迁移率,但这类半导体聚合物需要使用有毒的氯化溶剂加工。虽然使用无规共聚和引入不对称结构等主链工程可以提高半导体聚合物溶解性,但这会降低其分子链排列有序性和损耗其电学性能。相比于主链工程,利用侧链工程提高半导体聚合物溶解性更加有效,但引入大体积的烷基侧链会对聚合物的薄膜形貌、分子堆积和载流子传输性能造成不利的影响。因此,急需开发有效的分子设计策略以同时提高半导体聚合物的溶解性和电学性能。


  针对提高半导体聚合物的溶解性,合肥工业大学王晓鸿副研究员、张国兵副研究员、邱龙臻研究员团队对氮杂异靛蓝基聚合物的侧链结构进行设计,使用线性杂化硅氧烷基链取代支化烷基链,显著提高氮杂异靛蓝基聚合物的溶解性。因此,相比于PAIIDBT-C,PAIIDBT-Si不仅可以溶解于氯化和芳香类溶剂,还可以溶解于低毒的烷烃类溶剂。同时,该团队对氮杂异靛蓝基聚合物的主链结构进行设计,使用氟化联噻吩取代联噻吩,显著提高氮杂异靛蓝基聚合物的结晶度和电学性能。因此,相比于PAIIDBT-C和PAIIDBT-Si,PAIIDBFT-C和PAIIDBFT-Si表现出显著增强的空穴和电子迁移率。这项研究工作为非氯溶剂加工的高性能半导体聚合物材料的设计合成提供了一种新的策略。


图一. PAIIDBT-C, PAIIDBT-Si, PAIIDBFT-C, PAIIDBFT-Si的化学结构式


  采用紫外吸收光谱对聚合物的溶解度进行表征,结果表明,PAIIDBT-C, PAIIDBT-Si, PAIIDBFT-C, PAIIDBFT-Si 在甲苯溶液中分别表现出4.9,56.2,24.1和80.7 mg mL-1的溶解度。采用AFM和GIXD对聚合物薄膜进行表征,结果表明,在聚合物骨架引入氟原子能显著提高聚合物薄膜的结晶度。同时发现,PAIIDBT-C和 PAIIDBFT-C采取face-on和edge-on并存的的分子堆积,而PAIIDBT-Si和PAIIDBFT-Si采取edge-on的的分子堆积,表明侧链种类对聚合物薄膜分子堆积方式的重要影响。在此,使用烷烃加工的PAIIDBFT-Si薄膜的空穴迁移率达到2.34 cm2 V-1 s-1,这代表了所报道的烷烃加工的聚合物基晶体管中的迁移率最高值。


图二. (a) 聚合物退火薄膜的AFM图;(b) 聚合物退火薄膜的2D-GIXD图;(c)聚合物薄膜的分子堆积方式


  该团队进一步将此线性杂化硅氧烷基链引入到异靛蓝骨架并合成了三个异靛蓝基聚合物,研究了聚合物骨架与硅链之间的烷基间隔长度对聚合物的薄膜形貌、分子堆积和载流子传输性能的影响。所制备的聚合物(PIID-Cm-Si7, m = 5–7)均表现出极高的溶解性。AFM和GIXD结果表明,聚合物薄膜的结晶度和分子堆积有序性随着烷基间隔长度的增加而增强。因此,随着烷基间隔长度的增加,所对应的聚合物薄膜的载流子传输性能逐渐提高,其中,基于PIID-C7-Si7的薄膜晶体管迁移率最高达到1.58 cm2 V-1 s-1


图三. (a) PIID-Cm-Si7 (m = 5–7)的化学结构式;(b) 不同溶剂加工的PIID-Cm-Si7 (m = 5–7) 基晶体管的载流子迁移率;(c) 基于PIID-C7-Si7的柔性晶体管阵列


  以上相关成果分别发表在ACS Applied Material Interface (10.1021/acsami.0c11436)和 Chemical Communication (10.1039/d0cc01497d)上。论文的第一作者为合肥工业大学光电技术研究院博士生丁亚飞,通讯作者为王晓鸿副研究员张国兵副研究员邱龙臻研究员


  原文链接:

  https://doi.org/10.1021/acsami.0c11436

  https://doi.org/10.1039/d0cc01497d

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