裴坚教授和王婕妤博士课题组在聚合物场效应晶体管的研究中取得新进展
时间：2013-11-13 23:05 作者： 来源：北京大学化学与分子工程学院
有机薄膜晶体管具有低成本、轻便、柔性和可用于大面积溶液加工等特点，在逻辑电路，显示器件和射频电子标签等领域具有巨大的潜在应用。与小分子材料相比，聚合物材料具有更好的溶液加工性，更好的机械性能和热力学稳定性。在聚合物电致发光二极管和体异质结太阳能电池中，对苯撑乙烯 (PPV) 类聚合物是研究最早且最为广泛的一类高分子材料。
然而将PPV应用于聚合物场效应晶体管领域的研究则相对较少，主要原因是目前PPV的衍生物迁移率很低 (10–5~10–2 cm2 V–1 s–1)。
北京大学化学与分子工程学院裴坚教授和王婕妤博士课题组开展了一系列基于新型PPV衍生物的聚合物场效应晶体管材料的结构和性能研究。他们设计合成了一类新的PPV衍生物——基于苯并二呋喃二酮的PPV (benzodifurandione-based PPV)， 简称BDPPV（其中BD意为：北大），来克服传统PPV中存在的问题。通过对传统的PPV聚合物进行一系列结构上的修饰，包括引入吸电子基团降低能级、同时形成氢键固定构象以及使用该课题组之前发展的较远分叉的烷基侧链以缩短π-π堆积距离。BDPPV作为场效应晶体管半导体层，在空气中实现了高达1.1 cm2 V–1 s–1的电子迁移率，比传统PPV类聚合物高出4个数量级。此类聚合物是第一个在空气中电子迁移率超过1 cm2 V–1 s–1的聚合物。该工作发表在美国化学会志上（J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 12168），并被选为当期的封面文章，这期的刊物以《新的聚合物材料展现了比以前高分子材料传输电子快得多的性能》为题重点介绍了他们的研究工作。
他们进一步基于BDOPV母核发展了给受体型聚合物，并发现此类聚合物能够表现出高达1.7 cm2 V–1 s–1的电子迁移率，同时观察到其暴露在空气中后表现出双极传输特性，在保持较高电子迁移率（1.45 cm2 V–1 s–1）的同时，空穴迁移率得到了很大的提高，达到0.45 cm2 V–1 s–1。这一研究成果为简化逻辑电路的制备提供了很好的分子设计思路，相关结果发表在先进材料杂志上（Adv. Mater. 2013, DOI: 10.1002/adma.201302278）。
基于近几年的研究结果，他们课题组首次提出了烷基侧链对有机半导体材料性能的重要影响，并受美国化学会材料化学杂志邀请为Chemistry of Materials 25周年纪念专刊撰写了综述文章：Roles of Flexible Chains in Organic Semiconducting Materials (Chem. Mater. 2013, DOI: 10.1021/cm4018776)，该文章被选为当期封面文章之一。他们这一系列开创性的研究工作对于新的有机半导体材料的分子设计和应用具有非常重要的意义。
北京大学化学与分子工程学院博士研究生雷霆是这些论文的第一作者。这些工作得到了科技部、国家自然科学基金委和上海光源的资助。
