新型π-共轭聚合物的合成及场效应晶体管性能研究

摘要

设计合成新型的聚合物构建单元是开发综合性能优异、高迁移率聚合物半导体材料的关键所在。本论文基于新型四噻吩并蒽衍生物给体单元(TTB-2Br)，设计并合成了三种聚合物半导体材料，并研究了三种聚合物半导体材料的场效应晶体管性能。此外，基于新型梯形并杂环类电子型受体构建单元(IDTO-2Br和IDTCN-2Br)，设计并合成了四种聚合物半导体材料，初步研究了四种材料的结构与性能的关系。具体研究内容如下：
　　1)运用二维π拓展策略，开发了一类长烷基支链取代四噻吩并蒽类聚合物半导体构建单元(TTB-2Br)，并设计合成了三种结构新颖的TTB基聚合物半导体材料(PTTB-2T，PTTB-TT和PTTB-BZ)。结果表明：三种TTB基聚合物都具有很好的热力学稳定性，良好的溶解性、较低的HOMO能级值，良好的共平面性及紧密的π-π堆积距离；相对于全给体型聚合物PTTB-2T和PTTB-TT，给-受体型聚合物PTTB-BZ薄膜展现出更紧密的π-π堆积、更有序的纤维结晶相结构和更大的结晶谷粒。因而，PTTB-BZ获得更高的空穴传输性能，其最高空穴迁移率达0.15 cm2V–1s–1。
　　2)通过对引达省并二噻吩母核的分子结构进行衍生和修饰，设计并合成了2-癸基-十四烷基取代的受体型构建单元IDTO-Br和IDTCN-2Br。通过与给体单元(联二噻吩和乙烯双键)共聚，成功合成出了四种结构新颖的D-A型聚合物半导体材料(PIDTO-V，PIDTO-2T，PIDTCN-V和 PIDTCN-2T)。四种聚合物均表现出良好的溶解性、良好的热力学稳定性和较高的数均分子量。吸收光谱测试结果表明：PIDTO-V和PIDTO-2T的光学带隙分别窄至1.27和1.30 eV。电化学测试表明：强缺电性羰基和二氰基乙烯基团的引入，使得四种聚合物均表现出较低的HOMO/LUMO能级。而且，含二氰基乙烯取代的聚合物PIDTCN-V和PIDTCN-2T的LUMO能级值都低于–4.2 eV以下，如此低的LUMO能级值有利于制备出空气稳定的电子传输型有机场效应晶体管。这些研究数据展现出了这四种 D-A型聚合物半导体材料在高性能有机场效应晶体管的应用潜力。

目录

声明

第一章 综 述

1.1 研究背景

1.2 有机场效应晶体管简介

1.2.1 有机场效应晶体管器件结构

1.2.2 有机场效应晶体管工作原理

1.2.3 有机场效应晶体管性能参数

1.3 聚合物半导体材料简介

1.3.1 P-型聚合物半导体材料

1.3.2 N-型聚合物半导体材料

1.3.3 双极性聚合物半导体材料

1.4 本论文选题依据和设计思路

第二章 新型四噻吩并蒽类聚合物半导体的合成及场效应晶体管性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 原料与试剂

2.2.2 分析测试

2.2.3 单体和聚合物的合成

2.3 结果与讨论

2.3.1 材料的合成分析与表征

2.3.2 聚合物的热性能

2.3.3 聚合物的光物理性能

2.3.4 聚合物的电化学性质

2.3.5 密度函数(DFT)计算

2.3.6 聚合物场效应晶体管性能

2.3.7 聚合物薄膜微结构

2.4 本章小结

第三章 梯形并杂环类电子受体及其共轭聚合物的合成与表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 原料与试剂

3.2.2 分析测试

3.2.3 单体和聚合物的合成

3.3 结果与讨论

3.3.1 材料的合成分析与表征

3.3.2 聚合物的热性能

3.3.3 聚合物的光物理性能

3.3.4 聚合物的电化学性质

3.4 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况

附录A 主要试剂、药品及其纯化方法

附录B 仪器及测试条件和方法