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Adv. Mater.：含氟苯受体单元的高性能D-A共轭聚合物
作为集成电路的基础，晶体管是20世纪的一项伟大发明。自从1986年报道了聚噻吩的第一个有机薄膜场效应晶体管后，有机场效应晶体管（OFET）引起了科学家们的研究兴趣。与无机场效应晶体管相比，有机场效应晶体管加工工艺简单，具有柔性和较大面积，并且薄膜的成膜技术多样化，可以加工成很小尺寸的器件；此外，科学家们还可以容易地通过修饰有机分子的结构来改善有机场效应晶体管的器件性能。
主链中含有D-A结构的共轭聚合物在有机场效应晶体管中得到了科学家们广泛的研究和应用，给受体间不对称的电子分布诱发的偶极-偶极相互作用被看作是控制相邻分子主链取向的驱动力，并且有利于电子耦合以及电荷载流子的迁移。在以往报道的高效有机场效应晶体管聚合物中，一般包含具有很强吸电子能力的受体单元，例如DPP、IDG、BT等。这类D-A型的聚合物一般表现出双极性的电荷传输，对于制备双传输晶体管是有利的。但是在单极性晶体管的发展中，却面临着很大的挑战。一般来说，具有较浅LUMO能级的化学结构有增高的电子注入势垒，从而有利于实现P型传输。最近，加州大学圣巴巴拉分校的Guillermo C. Bazan（点击查看介绍）课题组报道了三个新型的结构简单的宽带隙聚合物（图1），并将它们应用到有机场效应晶体管中，研究受体单元的电子亲和力和电子注入能力与空穴迁移率的关系。
图1. 聚合物结构示意图。图片来源：Adv. Mater.
已报道研究过的聚合物CDTBTZ、聚合物PCDTPT、聚合物PDF以及聚合物P2F都具有较高的迁移率，其中具有强吸电子能力的BT、PT、氟代BT使得最终聚合物表现出低于-3.5 eV的LUMO能级，并能在有机场效应晶体管中实现电子的注入。在本文中作者通过引入苯合成了PhF0，通过单氟苯取代以及双氟苯取代得到了PhF1、PhF2,5（图1），研究了不同氟原子个数对最终材料性能以及器件效率的影响。
作者通过CAM-B3LYP/6-31G(d,p)理论计算得到的模拟分子结构如图2所示，其中PhF2,5具有较PhF0和PhF1更好的平面主链结构，因此会导致更好的链与链的堆积。
图2. 简单低聚物的优化结构a) PhF0，b) PhF1，c) PhF2,5。图片来源：Adv. Mater.
作者还测试了不同温度下聚合物PhF0，PhF1和PhF2,5溶液状态下的吸收，发现聚合物在溶液状态下表现出一定的聚集，并且聚合物PhF2,5的链聚集驱动力比其他两个聚合物要大。
图3. 聚合物PhF0，PhF1和PhF2,5在溶液以及薄膜状态下的UV-vis吸收谱图。图片来源：Adv. Mater.
作者制备的有机场效应晶体管器件结构为：聚合物/Au/SAM/SiO2/Si(掺杂)，OFET的输出曲线以及传输曲线见图4，其中(a)/(b)、(c)/(d)分别为没有热处理的PhF0、PhF1；(e) 200 ℃下热处理的PhF2,5 (Mn ≈ 68 kDa)；(f) 200 ℃下热处理的PhF2,5 (Mn ≈ 68 kDa)(实线)，PhF2,5-LM (Mn ≈ 21 kDa)（虚线）。
图4. OFET输出曲线以及传输曲线。图片来源：Adv. Mater.
最终器件的空穴迁移率，开关比以及阈电压见表1。此外作者还通过GIWAXS测试发现PhF2,5具有最有序的薄膜聚集状态。
表1. OFET器件的平均空穴迁移率，开关比以及阈电压。图片来源：Adv. Mater.
总之，在本文中作者合成了宽带隙、更浅LUMO能级的聚合物，很好的实现了电子阻挡，实现了单空穴传输。这种设计策略可以用来设计出更多更优秀的材料，实现有机光电子领域更好的发展。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Hole Mobility and Electron Injection Properties of D-A Conjugated Copolymers with Fluorinated Phenylene Acceptor Units
Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201603830
导师介绍
Guillermo C. Bazan
http://www.x-mol.com/university/faculty/476
（本文由科研趣生供稿）