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  基于共軛聚合物的有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）在新一代顯示、射頻識(shí)別標(biāo)簽、生物傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)給-受體（D-A）型共軛聚合物材料和晶體管器件技術(shù)的發(fā)展已使OTFT性能得到大幅提升。然而，能夠滿足產(chǎn)業(yè)界對(duì)可環(huán)境友好溶劑加工高遷移率材料要求的共軛聚合物為數(shù)尚少，可綠色溶劑加工的共軛聚合物更是鮮少報(bào)道。這是由于高遷移率聚合物往往具有較強(qiáng)的分子間作用力，在非鹵代溶劑中較難溶劑化，溶解性差。因此，設(shè)計(jì)合成同時(shí)具有高遷移率與環(huán)境友好溶劑加工性能的共軛聚合物極具挑戰(zhàn)性。

  耿延候教授團(tuán)隊(duì)采用增加烷基側(cè)鏈密度的新策略，并結(jié)合側(cè)鏈結(jié)構(gòu)調(diào)控，設(shè)計(jì)合成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可非鹵代溶劑加工的吡咯并吡咯二酮（DPP）類(lèi)共軛聚合物（圖1，PDPPT3-HDE與PDPPT3-HDO）。

圖1.(a)增加烷基鏈密度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略示意圖（通過(guò)與小尺寸共軛單體Ar共聚，可獲得相較于大尺寸共軛單體Ar’ 更高的烷基鏈密度和更好的溶解性）;（b）采用（a）所示的設(shè)計(jì)策略并結(jié)合側(cè)鏈工程合成的兩個(gè)DPP共軛聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

  兩個(gè)聚合物表現(xiàn)出不同的溶液行為，其中PDPPT3-HDO由于具有更長(zhǎng)的側(cè)鏈，在非鹵代溶劑鄰二甲苯中溶解度更高，超過(guò) 50 mg mL^-1，并形成具有更高長(zhǎng)徑比的聚集體，結(jié)合薄膜刮涂加工，可獲得高度取向薄膜，其OTFT可信遷移率達(dá)9.24 cm²V^-1s^-1（圖2）。增加烷基側(cè)鏈密度的策略為大量制備可非鹵代溶劑加工的高遷移率共軛聚合物提供了新思路。

圖2.（a）經(jīng)鄰二甲苯處理的PDPPT3-HDO刮涂薄膜的X-射線衍射與（b）偏振紫外-可見(jiàn)光吸收譜圖；（c）PDPPT3-HDE和PDPPT3-HDO的溶液聚集、刮涂加工示意圖，及所得刮涂薄膜的原子力顯微鏡高度圖(2 mm ′ 2 mm)。

  在此工作基礎(chǔ)上，耿延候課題組進(jìn)一步通過(guò)系統(tǒng)研究此類(lèi)DPP聚合物中的氧族元素效應(yīng)（圖3），得到了經(jīng)非鹵代溶劑（鄰二甲苯/四氫萘）刮涂加工OTFT遷移率>10 cm²V^-1s^-1（TDPP-Se）、綠色溶劑（茴香醚）刮涂加工OTFT遷移率3.5 cm²V^-1s^-1的共軛聚合物（圖4）。

圖3.用于氧族元素效應(yīng)研究的DPP聚合物結(jié)構(gòu)。

  系統(tǒng)的氧族元素依賴(lài)性研究表明，在DPP的3, 6-位引入呋喃環(huán)可大幅提高聚合物溶解性，例如FDPP-F在茴香醚中溶解度>50 mg mL^-1。含有呋喃環(huán)的聚合物在薄膜中更傾向于采用face-on或face-on/edge-on雙重堆積方式，不含呋喃的聚合物則全部表現(xiàn)edge-on堆積行為。聚合物的電荷傳輸性能表現(xiàn)出較強(qiáng)的微觀形貌相關(guān)性，具有更高平面性的聚合物易形成相互連接的纖維狀微觀結(jié)構(gòu)，相較于顆粒狀結(jié)構(gòu)更利于電荷傳輸。本項(xiàng)研究為共軛聚合物的氧族元素效應(yīng)提供了較為全面的總結(jié)，并提供了具有應(yīng)用潛力的可綠色溶劑加工的高遷移率半導(dǎo)體。

圖4.基于茴香醚刮涂加工的FDPP-F OTFT的轉(zhuǎn)移（a）與輸出（b）及遷移率柵壓依賴(lài)性（c）曲線；（d）茴香醚刮涂加工的FDPP-F薄膜的原子力顯微鏡高度圖；綠色溶劑茴香醚（e）及非鹵代溶劑鄰二甲苯（f）刮涂加工的FDPP-F薄膜偏振紫外-可見(jiàn)光吸收光譜。

  以上相關(guān)成果分別發(fā)表在Adv. Sci. (Adv. Sci. 2019, 6, 1902412)及Adv. Funct. Mater. (Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.202104881)上。論文的第一作者為天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生王中麗，通訊作者為天津大學(xué)耿延候教授，共同通訊作者為天津大學(xué)韓洋副教授。

  論文鏈接：

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/advs.201902412

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202104881