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化学所提出介观聚合物新材料体系
2019-02-22 | 编辑:guojie | 【 】【打印】【关闭

  有机半导体材料包括小分子和聚合物材料,小分子半导体材料具有精确的分子结构,但通常存在溶液性差,难以实现大面积可溶液制备;而传统聚合物半导体材料的合成又往往存在主链结构缺陷和批次间差异大等难问题,影响了聚合物半导体材料的?#20998;?#21644;器件性能,?#29616;?#21046;约了其宏量合成和大规模器件应用。基于以上难题,在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的大力支持下,化学所有机固体院重点实验室的研究人员近期合成了一种分子量介于1-10 kDa之间的新型共轭材料体系,称之为“介观聚合物(Mesopolymer)”。该类共轭材料体系规避了传统齐聚物合成复?#21360;?#20135;?#23454;?#30340;问题,展现了严格的规整结构以及优异的电荷传输性能。   

  高性能介观聚合物制备关键在于控制产物主链的增长速率,以及限制主链上自偶联和β位偶联缺陷的产生。传统的共轭聚合物通过Suzuki或者Stille聚合来制备,这两种方法通常难以精确控制主链的增长。研究人员通过选择可配体调控的直接芳基化聚合反应(DArP)来制备介观聚合物。通过大量条件筛选,研究人员发现大位阻、富电子的金刚烷膦配体(Ad2PnBu)能够满足上述要求,可以将反应产物的数均分子量控制在1-10 kDa范围内。研究人员基于模型底物meso-DPPBTz进行了主链缺陷结构的细致分析?#33655;?#28201;核磁共振氢谱以及基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱MALDI-TOF-MS证明meso-DPPBTz是严格规整的交替结构不存在自偶联组分;小分子参照实验以及DFT计算证明meso-DPPBTz不存在β位缺陷。更重要的是,meso-DPPBTz的多批次合成展示出良好的重复性。紫外可见吸?#23637;?#35889;(UV-vis)和紫外光电子能谱(UPS)揭示:meso-DPPBTz比对应的聚合物poly-DPPBTz具有更宽的带隙和更深的LUMO能级,是一种潜在电子和双极性传输半导体材料。     

  进一步,研究人员通过DArP聚合方法合成了一系列基于不同结构基元的介观聚合物,并对这些材料性能进行了系统的表征。在柔性顶栅场效应管的器件评估中,研究人员发现介观聚合物电子传输能力远超传统聚合物(最大性能提升比达124倍)。由于介观聚合物具有适中的分子量,溶解?#38498;?#31896;度特性,在大面积可溶液加工制备器件方面展现了潜在的应用。譬如,基于该类材料喷墨打印法制备的场效应晶体管器件性能是目前报道的该类器件最优性能之一    

  作为一类新型共轭半导体,介观聚合物有望克服传统共轭材料的不足,实现功能方面的突破。介观聚合物新概念材料的提出,将进一步丰富有机材料体系的内涵,推动有机光子学、生物传?#23567;?#29983;物检测等相关领域的研究。该研究工作近期发表在Nature Chemistry?#21448;?#19978;(Nature Chem. 2019, DOI10.1038/s41557-018-0200-y)。 

  1 meso-DPPBTz介观聚合物的合成以及其喷墨打印场效应晶体管器件阵列示意图 

    

    

  有机固体院重点实验室 

  2019222 

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