高迁移率聚合物半导体材料的性能与堆积形态

　　聚合物半导体材料是制备柔性有机光电子器件的重要组成部分。因此，开发可溶液法加工、高迁移率的聚合物半导体材料是制备大面积、低成本的有机电路的迫切需要。湘潭大学化学学院陈华杰课题组和中国科学院化学研究所有机固体实验室于贵课题组联合报道了骨架扭曲单元平衡聚合物半导体材料的溶解性↔加工性↔堆积结构↔器件性能的分子设计策略。基于骨架扭曲的醌式电子受体(BTP)单元，成功合成了系列溶解性优异的BTP-基聚合物半导体材料 (PBTP-IDG，PBTP-DPP和PBTP-NDI，见图1)，并对其薄膜场效应晶体管性能和薄膜堆积形态进行了深入的研究，相关研究成果发表高分子领域顶级期刊《Macromolecules》上，被选为Macromolecules期刊2015年4月份阅读次数最多(Most Read Articles, Top 25)的论文之一。 

　　图1 共轭聚合物PBTP-IDG，PBTP-DPP和PBTP-NDI的分子结构。 

　　采用溶液法旋涂技术制备了聚合物薄膜OFET器件，并研究了它们的半导体特性。结果表明：在空气中，三个聚合物展现出优异的空穴传输性能，最高迁移率达1.43 cm²/V s；在氮气箱中，三个聚合物展现出良好的双极性电荷传输特征。其中PBTP-DPP薄膜的空穴和电子迁移率分别达0.68和0.13 cm²/V s。这些结果展示了该类聚合物半导体材料在柔性电子电路中的应用潜力。　　 

　　表1 聚合物薄膜OFET器件的性能参数 (^a空气中测试；^b氮气中测试) 

　　利用北京同步辐射装置1W1A-漫散射实验站的GIXRD技术解析了聚合物退火薄膜的堆积形态。研究表明：三个聚合物薄膜采用垂直衬底和平行于衬底的混合模式堆积排列，但主要以垂直衬底的方式堆积排列，这种分子链堆积排列模式利于形成高速载流子传输通道，获得高的载流子迁移率；从面外数据分析，三个聚合物薄膜的d–d间距分别为20.77，18.31和19.61Å。小的d–d堆积间距表明烷基侧链间紧密交错排列；从面内数据分析，π–π堆积距离分别为 3.69，3.64和3.83 Å。通常，相对较小的π–π堆积间距更有利于高性能的载流子传输，因此PBTP-PP获得更高的迁移率。　 

图2 聚合物薄膜的面外模式的GIXRD数据(a)和面内模式的GIXRD数据(b)