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  n-型有機半導體材料對有機p-n異質結和邏輯互補電路的發展是至關重要的。然而，它的發展遠落后于p-型有機半導體材料。傳統的構建n-型有機半導體材料的方法包括：1）在分子骨架中引入氟原子、氯原子或氰基等吸電子基團；2）在共軛鏈中引入sp2-雜化的氮原子；3）構建具有醌式結構的分子單元。然而，上述方法依然不能滿足我們對n-型有機半導體材料的開發。設計新型的構筑n-型半導體材料的方法及其構效關系的研究對該領域的發展至關重要。基于該目的，于貴研究員團隊通過對聚合物分子結構的設計，在共軛骨架上引入三氟甲基吸電子單元，實現了材料由p-型半導體性能向n-型半導體性能的轉變。

圖1. PAIID-TFBVB-C1、PAIID-TFBVB-C3和PAIID-BVB-C3的化學結構式

  該團隊詳細研究了聚合物的光學性能和電化學性能。結果表明，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-可見吸收光譜相比于PAIID-BVB-C3有明顯的藍移，說明三氟甲基的引入拓寬了分子的帶隙。電化學表征進一步表明三氟甲基單元的引入有效地降低了分子的前線軌道能級。對PAIID-TFBVB-C1和PAIID-TFBVB-C3而言，LUMO能級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（a）和薄膜態（b）的紫外-可見吸收光譜圖及聚合物的循環伏安測試曲線（c）和相應的前線軌道能級示意圖（d）

  為了進一步研究聚合物材料的半導體性能，該團隊制備了相應的場效應晶體管器件。結果表明PAIID-TFBVB-C1和PAIID-TFBVB-C3表現出典型的n-型半導體傳輸性能，對應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則表現出p-型半導體傳輸性能，對應的空穴遷移率為0.14 cm² V^?1 s^?1。結果表明，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的轉變。該研究工作對n-型有機半導體材料的開發提供了新思路。

圖3. 基于聚合物薄膜的場效應晶體管的輸出曲線和轉移曲線

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

  以上研究成果發表在Macromolecules（DOI: 10.1021/acs.macromol.9b00022）上，論文的第一作者為中國科學院化學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