空气稳定的n型聚芳香酰亚胺半导体材料的合成与器件研究

近年来，采用高分子半导体材料制备的有机场效应晶体管（OFET）以其在可溶液加工、可大面积制备等方面的独特优势和广阔的应用前景成为有机电子学中的研究热点。与p型高分子半导体材料相比，高性能且空气稳定的n型材料相对较少。因此，开展空气稳定的n型高分子半导体材料的研究具有重要的科学意义。本项目设计、合成新型含氟基团的高分子芳香酰亚胺材料，并将其应用于OFET的研究。尝试将含氟基团引入芳香酰亚胺后，克服由此造成的溶解度下降和聚合活性降低等困难，利用含氟基团的拉电子作用和空气阻隔作用，期望得到可溶液加工的、高性能且空气稳定的OFET薄膜器件；从材料的设计合成-薄膜形貌-器件性能和空气稳定性方面进行系统综合研究，探索聚酰亚胺作为好的n型半导体材料所需解决的基本科学问题；目标是获得综合性能优良的含氟基团的聚酰亚胺类半导体材料，并总结出材料设计与器件性能关系的规律性认识。

采用高分子半导体材料制备的有机场效应晶体管（OFET）以其在可溶液加工、可大面积制备等方面的独特优势和广阔的应用前景成为有机电子学中的研究热点。但是高性能且空气稳定的聚合物材料相对较少。因此，开展空气稳定的高分子半导体材料的研究具有重要的科学意义。本项目设计、合成了一系列新型双取代的含氟基团的萘二酰亚胺聚合物，但由于含氟基团的引入，极大的降低了萘二酰亚胺聚合物的溶解性，从而导致溶液法加工困难。针对这个问题，我们尝试将萘二酰亚胺做成非对称结构，即一侧为含氟基团侧链取代，一侧为常规烷基链取代。所得到的聚合物材料，溶解性仍然无法满足溶液法加工的要求。根据上述结果，我们认为这种溶解性的降低可能是由于含氟基团在萘二酰亚胺体系中的形成的强相互作用引起的。因此，我们将萘二酰亚胺基团更换为噻吩酰亚胺基团（或称做噻吩并吡咯双酮），然后将含氟侧链引入这个体系中，利用含氟基团的拉电子作用和空气阻隔作用，得到了一系列可溶液加工的、性能良好且空气稳定的OFET薄膜器件。含氟侧链的此类聚合物的场效应迁移率达到了0.01 cm2V-1s-1,并且在空气中放置30天之后，性能没有明显的改变。这个结果表明，含氟侧链对于聚合物的空气稳定性有关键的作用。另外，我们发现，将普通的烷基链引入噻吩酰亚胺基团中，溶液法加工成的场效应器件和太阳能器件性能都有比较良好的表现。从材料的设计合成—薄膜形貌—器件性能和空气稳定性方面进行系统综合研究，并形成了一些规律性的认识。对于稳定性良好的半导体材料的设计合成起到一定的指导作用。