有机共轭聚合物主链结构修饰对光电性能的影响

　　自 1986 年第一个以聚噻吩为活性层的场效应晶体管被报道以来，人们在有机共轭聚合物半导体材料和以其为活性层的薄膜有机场效应晶体管领域做出了大量的研究探索工作。尤其是近十年来，以 D-A 型有机共轭聚合物为半导体材料的薄膜场效应晶体取得了飞速的发展，并在柔性有源矩阵显示器、射频识别标签以及气体传感等领域得到了广泛的应用。有机共轭聚合物半导体材料作为有机场效应晶体管的核心部分，其结构与光电性能显得尤为重要。经过人们不懈的努力，已开发出了大量结构与性能优异的有机聚合物半导体材料。通过聚合物结构的合理设计，调节聚合物能级结构和分子构型，实现窄的能带隙和有序的分子堆积，是实现高电荷传输性能和空气稳定性有机薄膜场效应器件的有效途径之一。中国科学院化学研究所张德清课题组从聚合物的“结构-性能”相互关系出发，研究和讨论了聚合物结构（共轭主链结构的调控）对薄膜场效应器件电荷传输性能的影响。最近，他们以吡咯并吡咯二酮为受体，通过给体单元的结构微调，设计合成了三个新的共轭聚合物。理论计算与光谱实验结果表明，聚合物结构对其能级结构、分子构型和堆积方式有显著的影响，并最终影响到场效应器件的电荷传输性能。最后，他们通过薄膜形貌分析，证明了聚合物结构与器件性能之间存在的关系。该结果发表于2016年9月6日的Journal of Materials Chemistry C 上（2016, 4, 9359-9365）。 

利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1A-漫散射实验站，他们对聚合物在硅基衬底上的分子排布进行了研究。结果表明，聚合物P3表现出edge-on的分子排列方式，且具有尖锐的信号峰，体现出较好结晶性。而其他聚合物信号较弱，甚至无明显的信号，表现出较差的结晶性甚至呈现无定形堆积。这与聚合物的半导体性能相匹配。这说明柔性侧链的引入可调控分子的排列方式，从而影响聚合物分子的半导体性能。这一研究体现了刚性共轭骨架的平面性对半导体性能的影响。