新型电子传输型靛蓝类聚合物的设计、合成及其构效关系研究

The application of smart wearable devices based on organic field-effect transistors has aroused much attentions among the scientific community. Although the n-type organic semiconductors are the important component of logic circuits in smart wearable devices, they are rarely reported for the application of smart wearable devices. Consequently, the development of n-type organic semiconductors with high performance plays an important role for their commercial application. Indigo exhibits exceptional photochemical stability, fully coplanar skeleton and intense intermolecular interaction, indicating that the indigoid-based polymers possesses great potential of development. However, it is far from meeting the commercial requirements for the reported n-type indigoid-based polymers, due to their twisted polymeric backbones and high LUMO energy levels. In this proposal, we would like to synthesize thiazoloindigo motif and introduce the B-O conformational lock, to optimize synergistically the backbone coplanarity and LUMO energy levels from the aspects of “intermolecular” and “intramolecular” respectively. By integrating a variety of theoretical simulation and characterization methods, an in-depth understanding of the effects of the backbone coplanarity and LUMO energy level on the polymeric performance will be achieved, which hence reveals the structure-performance relationships. This project will provide the theoretical foundation to design n-type polymers with high performance based on indigoid, and offer organic semiconductors for smart wearable devices.

有机场效应晶体管在智能可穿戴设备中的应用受到科学界广泛的关注。虽然电子传输（n-）型材料是构筑这类设备中逻辑电路的重要组分，但是目前该类型材料的应用研究尚不充分。靛蓝具有较高的光化学稳定性、完全平面的骨架结构和较强的分子间相互作用，意味着其衍生的聚合物具有较大的发展潜力。然而，目前报道的n-型靛蓝类聚合物材料远未达到商业化应用的要求，其原因是这类聚合物具有扭曲的骨架结构和较高的LUMO能级水平。为解决此问题，本项目在前期工作的基础上，拟采用制备噻唑靛蓝结构和引入B-O构象锁的方法，分别从“分子间”和“分子内”的角度协同调控靛蓝类聚合物的骨架共平面性和LUMO能级水平。结合理论模拟与实验表征，探究这类聚合物骨架共平面性和LUMO能级水平对其性能的影响，揭示其构效关系。本项目的实施将为性能优良的n-型靛蓝类聚合物的设计提供理论基础，为智能可穿戴设备提供更多有机半导体材料。

有机半导体作为有机场效应晶体管(OFETs) 的核心器件，很大程度上决定了可穿戴设备的性能。虽然电子传输（n-） 型有机半导体材料是构筑智能可穿戴设备中逻辑电路的重要组分，但是目前应用的 n-型材料较少。因此，开发新型 n-型聚合物材料并研究其构效关系十分必要。采用噻唑靛蓝和B-O 构象锁的设计方案分别对聚合物“分子间” 和“分子内”的骨架共平面性进行调控，协同降低其 LUMO 能级水平，将有望提升 n-型靛蓝类聚合物材料的综合性能。然而，该靛蓝类聚合物的骨架共平面性和LUMO 能级水平对其性能的真实影响尚不清晰，值得进一步深入研究。本项目开展了基于噻唑靛蓝及其类似结构n-型聚合物半导体材料的设计、合成及其场效应晶体管性能的研究工作，并利用多种谱学表征技术和理论计算，揭示了该聚合物的构效关系；另外，鉴于柔性储能设备在OFETs等柔性电子器件中的潜在应用，进行了高离子传输性能的聚合物功能材料的合成及其性能研究工作。本项目的实施主要取得了如下重要进展：（1）探索了噻唑靛蓝结构的合成路线，虽然合成遇到了瓶颈，但本项目的实施将为聚噻唑靛蓝材料的成功合成提供一定的实践经验；（2）合成了六种噻唑异靛蓝聚合物，深入探讨了硫族重原子的类型及数目对聚合物光电特性和OFETs 性能的影响。利用多种谱学表征技术和理论计算，揭示了聚合物的构效关系。最终，聚合物P(TzII-T-Te-T) 的薄膜OFETs性能展现了高的电子迁移率（0.64 cm2V-1s-1），是已知的含碲吩聚合物的最高值；（3）在发展柔性储能聚合物材料方面，开发了室温离子电导率高达10−3 S cm−1的耐高电压聚合物电解质以及性能优异的聚合物粘结剂，并在锂电池中展现了优异的电化学性能。本项目的实施，为发展高性能导电聚合物材料奠定了一定的研究基础和实践经验。