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  n-型有機(jī)半導(dǎo)體材料對(duì)有機(jī)p-n異質(zhì)結(jié)和邏輯互補(bǔ)電路的發(fā)展是至關(guān)重要的。然而，它的發(fā)展遠(yuǎn)落后于p-型有機(jī)半導(dǎo)體材料。傳統(tǒng)的構(gòu)建n-型有機(jī)半導(dǎo)體材料的方法包括：1）在分子骨架中引入氟原子、氯原子或氰基等吸電子基團(tuán)；2）在共軛鏈中引入sp2-雜化的氮原子；3）構(gòu)建具有醌式結(jié)構(gòu)的分子單元。然而，上述方法依然不能滿(mǎn)足我們對(duì)n-型有機(jī)半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)新型的構(gòu)筑n-型半導(dǎo)體材料的方法及其構(gòu)效關(guān)系的研究對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。基于該目的，于貴研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)聚合物分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在共軛骨架上引入三氟甲基吸電子單元，實(shí)現(xiàn)了材料由p-型半導(dǎo)體性能向n-型半導(dǎo)體性能的轉(zhuǎn)變。

圖1. PAIID-TFBVB-C1、PAIID-TFBVB-C3和PAIID-BVB-C3的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

  該團(tuán)隊(duì)詳細(xì)研究了聚合物的光學(xué)性能和電化學(xué)性能。結(jié)果表明，在共軛骨架中引入三氟甲基單元后，PAIID-TFBVB-C1和PAIID-TFBVB-C3的紫外-可見(jiàn)吸收光譜相比于PAIID-BVB-C3有明顯的藍(lán)移，說(shuō)明三氟甲基的引入拓寬了分子的帶隙。電化學(xué)表征進(jìn)一步表明三氟甲基單元的引入有效地降低了分子的前線(xiàn)軌道能級(jí)。對(duì)PAIID-TFBVB-C1和PAIID-TFBVB-C3而言，LUMO能級(jí)與金電極功函之間的能壘減小，有利于電子的有效注入。

圖2. 聚合物在溶液態(tài)（a）和薄膜態(tài)（b）的紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖及聚合物的循環(huán)伏安測(cè)試曲線(xiàn)（c）和相應(yīng)的前線(xiàn)軌道能級(jí)示意圖（d）

  為了進(jìn)一步研究聚合物材料的半導(dǎo)體性能，該團(tuán)隊(duì)制備了相應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。結(jié)果表明PAIID-TFBVB-C1和PAIID-TFBVB-C3表現(xiàn)出典型的n-型半導(dǎo)體傳輸性能，對(duì)應(yīng)的電子遷移率分別為0.11和0.04 cm² V^?1 s^?1。相反，不含三氟甲基的PAIID-BVB-C3則表現(xiàn)出p-型半導(dǎo)體傳輸性能，對(duì)應(yīng)的空穴遷移率為0.14 cm² V^?1 s^?1。結(jié)果表明，在聚合物骨架中引入三氟甲基單元使得載流子的傳輸由空穴傳輸向電子傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變。該研究工作對(duì)n-型有機(jī)半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)提供了新思路。

圖3. 基于聚合物薄膜的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出曲線(xiàn)和轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)

（PAIID-TFBVB-C1（a和b）、PAIID-TFBVB-C3（c和d）和PAIID-BVB-C3（e和f））

  以上研究成果發(fā)表在Macromolecules（DOI: 10.1021/acs.macromol.9b00022）上，論文的第一作者為中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的博士生魏聰源，通訊作者為于貴研究員。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/pdf/10.1021/acs.macromol.9b00022