n-型共轭聚合物分子结构对其能级带隙调节机制的研究

The inner connection and effect mechanism between polymer structure and energy level are not fully understood. As one of the most important part of organic semiconductiors,the development of n-type conjugated polymers lags behind. Our previous theoretical calculations study show that the electron-withdrawing functional groups and units can regulate the HOMO,LUMO and band gap. Herein, we focus on the effects of structural factors on n-type polymers. Series of n-type conjugated polymers are designed to study the following contents: 1) modification on functional groups; 2)the effect of linker; 3)the type of comonomer.This work will be helpful to predict the property of new designed n-type conjugated polymers with high performance.

n-型共轭聚合物在有机半导体材料领域有着广泛的应用前景，对其结构性能关系的研究有重要的科学意义与应用价值。然而，目前对控制其分子结构各可变因素之间的相互作用机制和协同效应还缺乏深入认识,导致总体发展滞后。我们前期量化模拟结果显示，强吸电子官能团以及单元对其能级带隙调节起主导作用。因此，本项目拟设计系列新型n-型共轭聚合物（均聚物和共聚物），并开展如下研究：①合成单体化合物，验证强吸电子基官能团的作用；②改变价键种类，明确单体间最佳的键链接方式；③调整重复单元种类，分析强吸电子共聚单元的作用模式。通过上述研究，有望阐明n－型共轭聚合物分子结构对其能级带隙的调节机制和变化规律，并确定起主要作用的结构可变因素，为n-型共轭聚合物材料种类的发展提供理论依据。

本项目拟通过改变重复单元及官能团之间的链接方式，调整重复单元中功能单元的种类，设计制备新型的n-型共轭聚合物，研究其相应的光电性质，掌握功能单元与聚合物链接方式之间的相互作用关系，建立其分子设计的基础理论和方法学体系，为今后设计并制备高性能的共轭聚合物材料，提供科学依据和技术支持，并获得有效的分子筛选手段。主要研究内容如下：1）研究了链接方式对共轭聚合物能级结构的影响，确定了双键链接为最优链接方式；2）研究了双键链接与酰亚胺类受体中氧原子之间的弱氢键相互作用，并利用该作用，制备了同时具有强红色固体荧光和n-型场效应载流子迁移特性的材料PNV，应用于钙钛矿电池中替代PCBM作为电子传输层，其光电转换效率能够达到18%；3）为了进一步研究双键链接与受体中杂原子的作用，制备了受体为含F的苯并噻二唑共轭聚合物PTFBTV，并研究了其片段单元的单晶结构，确定了C-H…F弱氢键的存在，其场效应晶体管载流子迁移率能够达到2.4 cm(2) V(-1) s(-1)。相应不含氟的聚合物PTBTV则能达到高达3.2 cm(2) V(-1) s(-1)的载流子迁移率；4）研究了双键链接在重复单元中的比例对共轭聚合物光电性质的影响，并利用多双键链接原理获得了低结晶、高迁移率的共轭聚合物材料。上述研究为光电器件集成化和多功能化，以及适用于柔性器件的共轭聚合物材料的设计和制备提供了新的分子设计思路。