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聚合物半導(dǎo)體材料具有質(zhì)量輕、柔性好和可溶液加工等特點(diǎn)，在有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體（OFET）和有機(jī)太陽能電池（OSC）中具有良好的應(yīng)用前景。半導(dǎo)體材料按其載流子傳輸類型可分為p型、n型和雙極性材料，其載流子分別為空穴、電子、空穴和電子。這三種不同類型的半導(dǎo)體材料在柔性有機(jī)電路中都具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。目前，如何通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高遷移率的聚合物半導(dǎo)體材料以及載流子傳輸特性的有效調(diào)節(jié)仍然非常困難。

最近，華中科技大學(xué)的王帥教授課題組和中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的郭云龍研究員/劉云圻院士團(tuán)隊(duì)合作，在Advanced Materials 上發(fā)表論文，報(bào)道了一類高性能的雙極性聚合物半導(dǎo)體材料。他們利用二氟連二噻吩（2FBT）單元和含有不同氟原子的異靛藍(lán)（IID）基團(tuán)共聚，合成了三種氟原子數(shù)量依次增加的聚合物 (圖1)。

圖1. 基于2FBT給體的聚合物分子結(jié)構(gòu)示意圖。

理性的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)了材料的分子結(jié)構(gòu)和能級(jí)結(jié)構(gòu)，改善電子注入，就可以使p型輸運(yùn)材料變成雙極性輸運(yùn)材料。OFET器件測(cè)試的結(jié)果表明，隨著氟原子的增加，PIID-2FBT、P1FIID-2FBT和P2FIID-2FBT分別表現(xiàn)出p型為主、平衡的雙極性和n型為主的傳輸特性（圖2a）。其中，P2FIID-2FBT的電子遷移率超過9 cm2?V?1?s?1，是目前最好的結(jié)果之一。隨著氟原子個(gè)數(shù)的增加，聚合物分子的最高占有分子軌道（HOMO）能級(jí)和最低未占分子軌道（LUMO）能級(jí)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)（圖2b）。因此，氟原子的引入改善了由金電極向半導(dǎo)體材料注入電子的能力。

圖2.（a）聚合物FET的空穴和電子遷移率；（b）聚合物的HOMO和LUMO能級(jí)；（c）理論計(jì)算得出聚合物的空穴和電子有效質(zhì)量，me表示一個(gè)電子的質(zhì)量。

他們通過分子內(nèi)電荷“有效質(zhì)量 (m*)”的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)氟原子的引入同時(shí)減小了空穴和電子的有效質(zhì)量（圖2c）。其中，P2FIID-2FBT空穴和電子的有效質(zhì)量分別為0.097 me和0.116 me。可以這樣理解“有效質(zhì)量 (m*)”：施加相同的電壓后提供動(dòng)力，質(zhì)量小的載流子跑得快。因此，相比其他兩種聚合物，P2FIID-2FBT較高的電子遷移率除了歸因于更有效的電子注入外，還可以歸因于較小的電子有效質(zhì)量。

該工作報(bào)道的3種基于2FBT給體的聚合物均表現(xiàn)出優(yōu)異的雙極性傳輸特性，證明優(yōu)異的雙極性材料的合理設(shè)計(jì)非常重要。其中，P2FIID-2FBT的電子遷移率超過9 cm2?V?1?s?1。這一概念對(duì)新型高性能半導(dǎo)體材料的分子設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702115/abstract