可溶液加工的D-A型共轭聚合物制备及其晶体管性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lwlw02
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印刷技术由于其低成本、低能耗及可在常规环境下大批量制造等优点,近年来在电子器件及其产品中得到越来越多的应用,印刷电子得到快速发展。印刷有机发光二极管(OLED)、有机光伏电池(OPV)、有机薄膜场效应晶体管(OFET)等已经成为研究的热点,有机半导体材料的可溶液加工性成为分子材料设计的关键因素。有机共轭聚合物相对小分子材料不仅具有更好的溶液加工特性,而且成膜性好,被认为是更有潜力的可应用于印刷电子的半导体材料。其中D-A型共轭聚合物材料由于其分子链内存在强的极化与电荷转移作用,能有效地驱动聚合物分子骨架间的堆积,减小聚合物层间堆积距离,提高了聚合物的性能成为研究热点。对于高性能聚合物半导体材料而言,人们对共轭主链的研究更为充分,相比之下,侧链的研究则相对落后很多。研究发现,侧链在共轭聚合物中不仅仅起到增溶和改善材料的溶液加工特性的作用,而且对聚合物分子的空间堆砌状态、聚合物成膜性能和膜层质量等具有明显的调控作用,进而影响有机共轭聚合物的半导体性能和器件质量。本文的主要工作是设计合成了半氟烷基支链修饰的NDI基电子传输型D-A聚合物和半氟烷基支链与硅氧烷基支链分别及混合修饰的DPP基空穴传输型D-A聚合物半导体材料,对它们的光物理、电化学、溶液加工特性进行了研究并通过制作场效应晶体管表征了聚合物材料的半导体性能。希望能为可印刷加工的半导体材料发展提供有益的探索和经验。主要工作和结果简要报告如下:(1)设计合成了两类半氟烷基支链修饰的高度共轭的D-A型萘二酰亚胺(NDI)基聚合物T1-PC8NDIBT和T3-PC8NDIBT,其中,T3-PC8NDIBT聚合物相对于T1-PC8NDIBT聚合物,支链烷基链的分叉点远离共轭主链。结果表明,末端氟链的引入,有利于形成紧密排列的膜结构,从而阻隔水、氧分子进入半导体薄膜,提高了聚合物的空气稳定性。而且由于聚合物侧链末端氟链的相互作用,薄膜态分子间相互作用增强有利于聚合物电子传输。半氟烷基支链修饰聚合物的电子传输迁移率相较于非氟链聚合物提高了3倍达到6.0×10-1cm2V-1s-1。支链烷基链分叉点远离共轭主链,位阻效应减弱,使共轭主链的平面性增加,分子量较小的T3-PC8NDIBT-1聚合物的最高电子迁移率也达到6.0×10-1cm2V-1s-1。分子量更大的T3-PC8NDIBT-2由于共轭结构扩大,溶解性变差,所得聚合物溶液易析出,薄膜连续性差。(2)设计合成了两类半氟链烷基支链修饰的高度共轭的D-A型吡咯并吡咯二酮(DPP)基聚合物PCDPPAr-F7和PCDPPAr-F9。结果表明,随着末端氟链长度增加,聚合物由于氟链间相互作用增强导致聚合程度降低,分子量降低明显。尽管含有不同长度烷基链,两类聚合物表现出几乎相似的分子内电荷转移吸收峰和能级结构,说明侧链对主链的能级结构不产生影响。但是给体部分的不同显著地影响了聚合物的光物理及电化学性能。由于半氟烷基支链氟链间的相互作用,使得氟链更长的聚合物PCDPPAr-F9相对于聚合物PCDPPAr-F7溶解性变差,溶液加工性变差。烷基支链大的位阻阻碍了聚合物分子共轭主链的相互作用,共轭主链在薄膜中排列非常无序,聚合物PC10DPPBT-F7的空穴迁移率仅为8.2×10-3cm2V-1s-1。(3)设计合成了末端硅氧烷基支链烷基链修饰的D-A型吡咯并吡咯二酮(DPP)基聚合物PC5DPPSe-Si和PC9DPPSe-Si。硅氧烷基链的引入,极大的改善了聚合物的溶解性。硅氧烷基支链烷基链修饰聚合物相比于硅氧烷基直链烷基链修饰聚合物,材料的溶解性得到明显改善,成膜质量提高。同时,硅氧烷基支链烷基链修饰聚合物的分子量也成倍增加。末端硅氧烷基支链烷基链的引入改变了聚合物主链的空间堆砌方式和薄膜形貌,大的空间位阻导致共轭主链在薄膜中排列无序,进而导致聚合物PC5DPPSe-Si和PC9DPPSe-Si的空穴迁移率分别降低至5.6×10-3cm2V-1s-1和6.1×10-3cm2V-1s-1。但聚合物良好的溶解性及溶液加工性,可使用非氯溶剂进行器件制作,成膜性良好。(4)设计合成了硅氧烷基支链与半氟链烷基支链混合修饰的D-A型吡咯并吡咯二酮(DPP)共轭聚合物PDPPF-BT-Si,利用硅氧链良好的增溶性来改善氟链烷基支链修饰DPP基聚合物的溶解性。结果表明,所得聚合物PDPPF-BT-Si具有良好的溶解性,可满足制备成电子油墨的要求,膜层质量也大幅提高。相比于由于溶液加工性差没有得到均匀连续薄膜而没有测出性能的PCDPPAr-F9聚合物,聚合物PDPPF-BT-Si的二氯苯和低沸点三氯甲烷溶液所制得器件的空穴迁移率分别为6.5×10-3cm2V-1s-1和4.0×10-3cm2V-1s-1
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