五元杂环类n-型聚合物半导体材料

　　五元噁二唑(OZ)和噻二唑(TZ)杂环具有强缺电子能力、富杂原子以及易于合成等优势，是一类潜在的n-型聚合物半导体构建单元。基于OZ和TZ杂环桥连单元，研究人员开发了一类等规双受体型(A1–D–A2–D)聚合物半导体材料(PNOZ和PNTZ)，对比研究了PNOZ和PNTZ的分子结构、热力学、光物理、电化学、薄膜形貌、薄膜结晶性以及OFET器件性能。结果表明：相比PNOZ，TZ杂环赋予了PNTZ更强的分子组装能力；PNTZ退火薄膜展现出有序纤维状形貌，其薄膜表面粗糙度小、连续性好，因而有利于载流子的传输。 

　　 图1 聚合物半导体的分子结构、OFET器件结构、薄膜表面形貌 

　　采用溶液法旋涂技术制备了顶栅薄膜OFET器件，对比并研究了它们的半导体特性。结果表明：在空气中，基于PNOZ和PNTZ退火薄膜构造的顶栅OFET器件的最高电子迁移率分别达0.026和0.36 cm²/V s。由于顶栅介电层良好的封盖阻隔水氧的效果，其顶栅OFET器件的电子迁移率60天几乎不衰减。 

　　利用北京同步辐射装置1W1A-漫散射实验站的GIXRD技术解析了聚合物退火薄膜的堆积形态。研究表明：两个聚合物薄膜采用混合模式堆积排列，但主要以平行于衬底的方式堆积排列，这种分子链堆积排列模式利于获得高的载流子迁移率；从面外数据分析，三个聚合物薄膜的d–d间距均为22.06 Å。小的d–d堆积间距表明烷基侧链间紧密交错排列；从面内数据分析，π–π堆积距离分别为 3.86和3.80 Å。通常，更小π–π堆积间距更利于高性能的载流子传输，因此PNTZ获得更高的迁移率。该工作发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》。 

　　图2 180 °C退火薄膜的GIXRD数据：a) 面外模式；b) 面内模式。

　　发表文章： 

　　Huajie Chen,^* Zhaoxia Liu, Zhiyuan Zhao, Liping Zheng, Songting Tan,^* Zhihong Yin, Chunguang Zhu and Yunqi Liu.^* Synthesis, Structural Characterization, and Field-Effect Transistor Properties of n-Channel Semiconducting Polymers Containing Five-Membered Heterocyclic Acceptors: Superiority of Thiadiazole Compared with Oxadiazole. ACS Applied Materials & Interfaces 8(2016), 33051–33059.