高性能聚合物半导体材料及其场效应性能的调控

This project will design and synthesize novel conjugated polymers with donor-acceptor structures for the development of novel building blocks and polymer systems. Substituent groups will be introduced into the donor and acceptor units to enhance solution-processing ability and to ensure high charge carrier transporting properties. The performance of polymer semiconductors can be controlled by tuning intramolecular and intermolecular interaction. The purpose of the project is to obtain polymer semiconductors with excellent performances. We will modify both the surfaces of the source/drain electrodes and insulators, develop modification technology of interfaces, and fabricate high-performance field-effect transistors with a high mobility of 15 cm^2/V.s. Furthermore, we will systematically investigate the transporting mechanism of charge carriers, acquire a better understanding the relationship between molecular/aggregation structures and carrier transporting properties, and obtain innovative achievements with proprietary intellectual property rights. Therefore, this project is a prospective cross-cutting research subject with exploratory, possessing both scientific research and potential industrial applications.

本申请项目拟设计、合成新型的共轭聚合物，研究重点为D-A型聚合物，发展新型的构筑单元及聚合物体系，在给体和受体单元上引入取代基以提高聚合物的溶液加工性和改善载流子传输性能，利用分子内/分子间相互作用调控聚合物半导体材料性能，得到综合性能优良的聚合物半导体材料。对电极表面和绝缘层表面同时进行有效修饰，发展界面修饰技术，构筑高性能的场效应晶体管器件，载流子迁移率达到15 cm^2/V.s以上，达到国际领先水平。对载流子的传输机理进行深入研究，加深对载流子传输性能与分子结构、集聚态结构相互关系的理解，获得具有自主知识产权的创新性成果。该项目是一项具有前瞻性、探索性和交叉性的基础研究课题, 具有非常重要的科学意义和潜在应用前景。

高性能聚合物半导体材料及其场效应性能的调控是一个极具挑战的前沿课题。针对该研究领域存在的关键科学问题，本项目开展了系统的研究工作，得到如下创新性成果：1）发展了新型的异靛青衍生物的受体单元和二芳基乙烯的给体单元，形成有特色的聚合物半导体材料体系，得到综合性能优良的D-A型共轭聚合物；2）开展了界面工程研究，实现载流子的有效注入和传输，构筑了高性能的有机场效应晶体管（OFET），空穴迁移率达到15 cm^2 V^-1 s^-1以上; 3）构筑了高性能柔性OFET及其反相器，实现了载流子的平衡传输，其空穴和电子的最高迁移率分别为5.97和7.07 cm^2 V^-1 s^-1，达到国际领先水平；3）借助主链和侧链工程策略实现了聚合物能级结构和聚集态结构的调控，对分子结构、聚集态结构和载流子传输性能的关联有了深刻的认识。获得具有自主知识产权的创新性成果，发表论文30篇，申请中国发明专利11项，其中6项授权。