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共轭聚合物可应用于电致发光二极管、薄膜场效应晶体管、太阳能光伏电池和传感器等多个领域,而新型共轭聚合物的开发是进一步提高这些器件性能的关键环节。葸具有优异的发光性能和载流子传输性质,是目前有机小分子发光材料和高迁移率材料的重要构造单元,同时,葸具有多个化学活性位点,可用于修饰,是设计与合成共轭齐聚物和聚合物的理想单元。有鉴于此,本论文以蒽衍生物的合成化学为核心,9,10-位引入不同的取代基团,2,6-位引入溴原子等反应活性基团,利用Suzuki、Yamamoto和Stille等金属催化偶联反应合成了4个系列共轭齐聚物和聚合物。主要成果与创新点如下:
1.在葸的9,10位引入不同长度的烷基乙炔基,通过Suzuki偶联反应首次制备了可溶性聚(9,10-二烷炔基葸)和重复单元为1-5的齐聚(9,10-二烷炔基蒽)。这类齐聚物和聚合物具有优异的共轭性和较强的分子间相互作用,以重复单元数为5的齐聚物作为活性层,经溶液旋涂制备的有机薄膜晶体管器件迁移率达到2.95×10-3 cm2/V·s。
2.以9,10-二芳基蒽为重复单元,设计与合成了系列齐聚物和聚合物。齐聚物和聚合物均具有优异的热稳定性和化学稳定性。光谱表征表明齐聚物和聚合物固态下分子间相互作用较弱,与噻吩单元共聚后相互作用增强。基于聚(9,10-二苯基蒽)的发光器件发蓝绿光,流明效率为0.8 cd/A,最大亮度为2498 cd/m2(9V驱动)。
3.通过在葸的9,10位引入芳基乙炔基,制备了系列可溶性共轭聚合物。芳基乙炔基增强了聚合物的共轭,使长波长吸收增强,光谱变宽且红移。与PCBM共混的体相异质结电池器件具有宽光谱光响应,器件开路电压较高,最大达1.03 V,但短路电流和填充因子相对较低,最高能量转换效率为1.56%。
4.通过在葸的9,10位及2,6位接入不同共轭片段,合成了以葸为节点的X型和H型两类二维共轭齐聚物。和线性模型化合物相比,齐聚物具有宽光谱吸收和较窄的带隙,体现出二维共轭的特征,说明葸是优异的二维共轭体系构建单元。分子轨道理论计算表明,二维共轭齐聚物的宽吸收特征来源于多个强吸收跃迁;两个方向共轭片段氧化还原能力的差异导致齐聚物HOMO和LUMO分布在分子不同片段上,有利于获得窄带隙共轭齐聚物。溶液加工制备的体相异质结有机光伏电池具有宽光谱响应特征,光响应曲线和薄膜吸收光谱基本相符,由于短路电流较小,器件最高效率只有0.53%。