低压驱动光响应有机场效应晶体管聚合物绝缘层材料的合成及性能研究

In the past decade, functional organic field-effect transistors have developed rapidly due to their scientific and technological significance. It becomes particularly important to improve the photoresponsive efficiency of organic phototransistors, as well as to reduce their operating voltage. In this project, we design a new class of photoresponsive polymer dielectrics with high efficiency of photoresponse and low transistor operating voltage. We copolymerize photoresponsive molecules to dielectrics through surface-initiated “living”/controlled radical polymerization to increase photoresponsive efficiency. And we design a new insulator layer based on cross-linked polymer to reduce the phototransistors operating voltage by reducing the free volume of the polymer and therefore the leakage current. This new photoresponsive polymer dielectric material could exhibit a high photoresponsive efficiency, a high dielectric constant and a low leakage current as compared to conventional polymer dielectrics. This polymer dielectric films could be incorporated with solution-processable semiconductors, both p- and n-type, and are suitable for various flexible substrates. This dielectric material should be highly applicable for efforts toward multifunctional flexible sensor arrays.

光功能有机场效应晶体管器件具有广阔的应用前景。因此，提高这类光功能器件的光响应效率，降低晶体管器件的驱动电压就变得尤为重要。本研究从绝缘层材料设计出发，通过化学聚合方法将光致异构化分子引入聚合物绝缘层，提高光敏分子密度，提升器件光响应效率。同时利用表面引发活性可控聚合方法在衬底上生长特定厚度的聚合物绝缘层，并利用交联技术，减小聚合物自由体积，降低漏电流，制备出低压驱动高效光响应器件。本研究设计的光响应聚合物材料克服了光响应效率低，所需驱动电压高的缺点。这种光响应绝缘层适用于各种有机半导体材料和器件制备方法，同时适用于多种柔性衬底。本研究的创新性在于将光响应分子与交联聚合物相结合，制备出低压驱动高效光响应有机场效应晶体管器件。申请人在项目设计中提出的新材料和新方法，为光响应晶体管器件的制备提出了新的思路，为有机光电功能器件的大规模应用提供了可靠地信息和途径。

光功能有机场效应晶体管具有重要的研究意义，提高器件响应效率和制备适用于不同衬底的响应器件具有重要的研究价值。.项目针对上述问题开展研究，主要内容如下：.1）基于螺吡喃聚合物绝缘层的高响应性能OFET器件制备及性能研究，建立初步的构效关系；.2）在金衬底上实现光响应器件的制备，研究载流子注入的光响应机制，通过物理分析和理论计算，建立物理化学作用机制模型；.3）开展了一系列高性能有机光伏给体、受体分子材料方面的探索及研究。.取得了以下研究成果：.1）实现了螺吡喃单元分子的设计合成，利用ATRP方法聚合得到聚合物绝缘层材料，制备了基于上述材料的高性能光响应有机场效应晶体管器件，研究了分子结构、组成与光响应性能之间的构效关系。通过不断优化，得到了最优的共聚比例。此外，SP分子在紫外光照条件下形成的开环结构具有两性离子特性，所生成的电荷可以捕获p-type半导体层中的电子，进一步提高OFET器件的光响应效率，将光响应性能photosensitivity提高到10的3次方以上。这部分工作已经发表在Adv. Electron. Mater., 2015, 1, 1500159上。.2）在金属衬底上制备基于螺吡喃单元的光响应场效应晶体管，通过物理表征和理论计算，我们研究了载流子注入过程中金属电极表面功函数的变化情况；同时研究了这种功函数变化与光响应螺吡喃分子光照前后偶极矩变化之间的内在联系。建立了金属基底表面光响应分子的作用机制模型。这部分工作发表在J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 5289-5296.上。.3）此外，开展了一系列高性能有机光伏给体、受体分子材料方面的探索及研究，实现了超过9.5%的光电转化效率；同时，通过优化分子结构，仅需三步反应，得到总收率超过62%的新型非富勒烯受体材料，成本仅为传统PCBM类材料的1/20，分别实现5%和7%的光电转换效率。相关工作发表在Chem. Commun., 2017, 53, 451-454, Sci. China Chem., 2017, 60, 366-369, Sci. China Chem., 2017, 60, 552-560和Sci. China Mater., 2017, 60, 49-56上。.项目申请专利1项，发表SCI研究论文6篇，其中国外较高档次SCI论文3篇，培养博士研究生3名。