JACS：用于高性能双极晶体管的双吡啶[2,1,3]噻二唑基半导体聚合物

【引言】

双极性聚合物半导体材料在双极性场效应晶体管(FETs)、逻辑互补电路以及发光晶体管等光电子设备中具有广阔的应用前景。目前，构建给体(D)–受体(A)型结构是开发高迁移率双极性聚合物半导体材料最为有效的合成策略，其中聚合物的能级主要受A单元控制。因此，设计、合成新型的A单元及其高迁移率的聚合物半导体材料已成为该领域当前研究的热点。然而，仅有少数双极性聚合物半导体材料的空穴和电子迁移率能够同时超过3.0 cm² V^–1 s^–1，而且该类材料及其薄膜FETs依然面临着迁移率低和器件稳定性差等挑战。因此，进一步探索新的分子设计策略以及开发新的A单元具有重要的研究意义。

【成果简介】

近日，中国科学院化学研究所刘云圻院士、郭云龙研究员和湘潭大学陈华杰副教授（共同通讯）等人联合报道了第一个吡啶[2,1,3]噻二唑（PT）基双极性聚合物半导体材料（PBPTV）。他们提出了等规双受体策略，合成了结构等规的双吡啶[2,1,3]噻二唑（BPT）基电子受体，开发了第一个BPT-基双极性聚合物半导体材料（PBPTV），并制备了高迁移率、空气稳定的顶栅FET器件，获得了超高的空穴和电子迁移率分别达6.87和8.49 cm² V^–1 s^–1。相关成果以题为“Regioregular Bis-Pyridal[2,1,3]thiadiazole-Based Semiconducting Polymer for High-Performance Ambipolar Transistors”发表在了Journal of the American Chemical Society上。

【图文导读】

图1 计算的PT和BPT受体的HOMO/LUMO能级; BPT受体及其共聚物PBPTV的分子结构

其中，使用区域规整的BPT单元作为电子受体，烷基取代的二噻吩乙烯（TVT）单元作为电子给体。

图2 循环伏安曲线、优化的模型结构以及能级轨道

（a）PBPTV薄膜的循环伏安曲线

（b）优化的模型结构以及HOMO/LUMO能级轨道

图3 器件结构与性能参数

（a）TGBC器件结构

（b）迁移率统计平均值

（c）FET器件的转移和（d）输出曲线

图4 PBPTV薄膜的AFM表面形貌和GIWAXS数据

（a，c，e）未退火薄膜

（b，d，f）180℃退火薄膜

【小结】

该团队利用等规双受体策略成功开发了第一个含PT单元的双极性聚合物半导体材料（PBPTV），制备了高迁移率、空气稳定的顶栅FET器件，并证实了等规双受体策略是一种有效的设计思路，可推广应用于开发更多的电子传输型聚合物半导体材料。

文献链接：Regioregular Bis-Pyridal[2,1,3]thiadiazole-Based Semiconducting Polymer for High-Performance Ambipolar Transistors（J. Am. Chem. Soc.,2017,DOI:10.1021/jacs.7b10256）

本文由材料人生物材料组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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