新型稠杂环芳香内酰胺类聚合物半导体材料及其场效应性能

The proposal aims at the key issues of low electron mobility and poor device stability of polymer semiconductors, and plans to design and synthesize novel fused heterocyclic aromatic lactam-based conjugated polymers to develop high-performance n-type and ambipolar polymer semiconductors and field-effect devices. The applicant will construct novel strong electron-deficient fused heterocyclic aromatic lactam-based building blocks, then obtain new donor-acceptor polymeric conjugated systems when the lactam-based units copolymerize with other conjugated ones. Meanwhile, the applicant will introduce heteroatoms or heteroatom-substituted groups onto polymeric conjugated backbones to form intramolecular noncovalent interactions, which are utilized to improve the conjugated planarity, energy levels and intermolecular interaction of conjugated polymers. Moreover, the applicant will enhance the crystallinity and molecular self-assembly property of these lactam-based polymers by the change of the alkyl side chains so as to afford high-performance n-type and ambipolar polymer semiconductors for field-effect transistors. Furthermore, the applicant will optimize thin film-processed method, device structure and interfaces to obtain high-performance and air-stable polymer field-effect devices with electron mobility exceeding 10 cm^2/V.s. In addition, the applicant will fabricate polymer micro/nano crystals-based field-effect devices to investigate the intrinsic charge transport properties of these lactam-based polymer semiconductors. The proposal is an innovative and interdisciplinary research project, which has important scientific significance and potential applications.

本项目针对聚合物半导体材料的电子迁移率较低和器件稳定性较差等关键科学问题，拟设计、合成新型稠杂环芳香内酰胺类共轭聚合物，发展高性能n-型和双极性场效应材料及器件。申请人将构造新型强缺电稠杂环芳香内酰胺共轭单元，通过与其它共轭单元的共聚得到供体-受体型高分子共轭体系；借助（含）杂原子取代基团的引入获取分子内非共价键作用并以此调节聚合物的共轭骨架平面性、能级结构和分子间相互作用力；利用烷基侧链的改变增强聚合物的结晶性和分子自组装性能，从而得到高性能n-型或双极性场效应材料。同时，申请人通过薄膜工艺、器件结构及界面优化等手段获得高性能、空气稳定的聚合物薄膜场效应器件，其电子迁移率大于10 cm^2/V.s。另外，申请人将构筑聚合物微（纳）晶场效应器件，研究聚合物材料的本征载流子传输性能。该项目是一项具有创新性和交叉性的基础研究课题, 具有重要的科学意义和潜在应用前景。

聚合物半导体具有优良的成膜性，可通过旋涂，打印等溶液处理技术，低成本制备大面积有机电子学器件如有机场效应晶体管及阵列等，从而受到国内外研究机构的极大关注，相关研究已经成为有机电子学领域的焦点和热点之一。针对聚合物半导体及其场效应晶体管器件研究中电子迁移率低等关键科学问题，本研究团队以设计、合成新型稠杂环芳香内酰胺类受体单元为突破口，通过改变聚合物主链结构和引入不同取代基团和杂原子等手段来调节聚合物材料分子的共轭骨架构象和前沿轨道能级等，发展具有自主知识产权、高性能聚合物半导体，特别是n-型和双极性聚合物半导体。研究成果主要包括：1） 首次提出有限共轭聚合物概念，并首次提出高性能有限共轭聚合物半导体分子设计策略，发展了系列场效应性能可媲美传统高性能全共轭聚合物半导体的有限共轭聚合物半导体，其电子迁移率超过7 cm^2/V∙s；2）发展了多种新型稠杂环芳香内酰胺类受体单元及其聚合物半导体材料；3）利用（含）杂原子基团调控聚合物的共轭骨架构象等，发展了多个系列高性能n-型或双极性稠杂环芳香内酰胺类聚合物半导体材料，其电子迁移率高至10.6 cm^2/V∙s，并归纳聚合物半导体材料分子结构与场效应性能之间的内在关联；4）申请相关专利 5 项，其中授权4项。在Chem. Mater.、Chem. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Macromolecules等国际主流学术刊物上发表论文 26 篇。在项目资助下，三位研究生获得博士学位，一名博士后出站。