两步法合成高性能可喷墨打印的有机半导体聚合物

有机半导体聚合物能够在常温下进行溶液法加工，被认为是制作柔性电子器件最具潜力的材料之一。而喷墨打印法作为溶液法制备器件的重要方法，具有成膜快速简单、可图案化、材料利用率高等特点。目前，基于喷墨打印法加工有机半导体聚合物性能偏低，影响了其应用前景。

近日，天津大学的胡文平教授（点击查看介绍）领导的研究团队报道了通过两步法合成吡咯并吡咯二酮-苯并噻二唑-吡咯并吡咯二酮（DBD）为核心单元的共轭聚合物PDBD-T以及PDBD-Se。其中PDBD-Se通过喷墨打印法制备的场效应晶体管空穴迁移率达到6.70 cm²•V^-1•s^-1，电子迁移率达到4.30 cm²•V^-1•s^-1，是目前喷墨打印法制备晶体管的最高值之一。

该研究团队基于前期研究，设计了主链双重受体的聚合物，并且采用简单的两步C-H键活化芳基化的方法构筑材料，简化了合成步骤。合成的聚合物PDBD-T和PDBD-Se的HOMO和LUMO分别为（−5.05, −3.85）和（−5.03, −3.85），能够很好地满足双极性载流子传输。通过对旋涂法制备聚合物薄膜晶体管进行电学表征，他们发现PDBD-Se的空穴迁移率和电子迁移率均高于PDBD-T。对PDBD-T与PDBD-Se的薄膜进行掠入射广角X射线衍射（GIWAXS）研究发现：（1）PDBD-Se的π-π堆积距离为3.56 Å，而PDBD-T为3.62 Å。（2）PDBD-Se的面内晶粒连续性长度（coherence lengths）为6.2 nm，而PDBD-T为3.0 nm。综上所述，PDBD-Se具有更短的π-π堆积距离和更大的晶粒连续性长度，因此具有更高的迁移率。为了抑制喷墨打印中出现的咖啡环效应，研究人员将PDBD-Se溶解在氯代烃和卤代芳香烃中配成墨水。喷墨打印法制备的PDBD-Se场效应晶体管的空穴迁移率达到6.70 cm²•V^-1•s^-1，电子迁移率达到4.30 cm²•V^-1•s^-1。最后，研究人员采用喷墨打印法制备了基于PDBD-Se的互补型反相器和与非门，证明了这类半导体聚合物在喷墨打印法加工制备有机电路方面的潜在应用。该工作近期发表在Advanced Materials 杂志上。

该论文作者为：Zhenjie Ni, Hanlin Wang, Qiang Zhao, Jianqi Zhang, Zhixiang Wei, Huanli Dong, Wenping Hu

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Ambipolar Conjugated Polymers with Ultrahigh Balanced Hole and Electron Mobility for Printed Organic Complementary Logic via a Two‐Step C-H Activation Strategy

Adv. Mater., 2019, 31, 1806010, DOI: 10.1002/adma.201806010

导师介绍

胡文平

https://www.x-mol.com/university/faculty/26829