醯亞胺基N-型高分子半導體研究進展| 南方科技大學郭旭崗教授特約專論

2021-01-21 高分子學報

專論系統評述了醯亞胺基N-型高分子半導體的最新研究進展。對N-型醯亞胺高分子在高性能全聚合物太陽能電池及有機場效應電晶體方面的前景和重點發展方向進行了展望。

由於有機材料易於氧化不易於還原的特性，絕大多數高分子半導體呈現P-型性能，在有機場效益電晶體以及有機太陽能電池器件中，P-型高分子半導體都顯示出了化學結構的多樣性和優異的器件性能。與P-型高分子半導體相比，由於缺電子結構單元的缺乏、空間位阻效應及合成上的挑戰，N-型聚合物半導體的研究明顯滯後，高性能的N-型聚合物半導體材料仍較少報導，但N-型半導體作為電子傳輸材料，是與P-型半導體一起構建PN結所必須的。高性能N-型高分子半導體的匱乏大大阻礙了高分子半導體在有機電子領域的進一步發展和應用，因此，設計和開發新的高性能N-型高分子半導體材料將對有機電子領域的發展提供巨大的推動作用。

南方科技大學郭旭崗課題組一直致力於新穎的N-型醯亞胺基高分子半導體的設計和開發， 2008年郭旭崗等人首次合成了基於萘二醯亞胺(NDI)的共軛高分子(Org. Lett. 2008, 10, 5333-5336)，經過十餘年發展，NDI基聚合物現已經成為有機半導體領域中最為重要的N-型高分子半導體。另外一個重要的醯亞胺構建單元，聯噻吩醯亞胺(bithiophene imide, BTI)，為新醯亞胺的拓展提供了絕佳機遇，其獨特的化學結構和電子性質及基於BTI的高分子半導體表現出了優異的N-型器件性能。他們課題組在BTI基單體的設計開發方面做了系統性的研究工作，設計和合成了一系列梯形半導體材料。他們利用BTI上α和β-位易於化學修飾和功能化的特性，合成了一系列稠環BTI基衍生物，其中最長的BTI5含有15個噻吩環和5個醯亞胺基團(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9924-9929)，在電晶體和全聚合物電池中取得了可比擬NDI和苝二醯亞胺(PDI)聚合物的器件性能(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15304-15308; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6095-6108)。考慮到噻吩的富電子特性，他們引入更加缺電子的噻唑單元，噻唑的引入能夠有效地減小空間位阻，同時促生分子內S…N非共價鍵作用。它的引入使得噻唑醯亞胺單元(DTzTI和BTzI)在進一步降低能級的同時也有利於提升分子的平面性，從而實現N-型器件性能的提升(Adv. Mater. 2018, 30, 1705745; Chem. Mater. 2018, 30, 7988-8001)。同時，他們在噻吩的β-位引入氟原子，成功製備出新穎的氟取代醯亞胺及其高分子半導體，氟原子的引入促成了分子內S…F非共價鍵作用，提高了分子主鏈的共面性，醯亞胺上引入氟原子使整個分子骨架具有更低能級，提升了N-型器件性能(Adv. Mater. 2019, 1807220)。

郭旭崗課題組在《高分子學報》2019年第9期（即將出版）發表的特約專論中系統評述醯亞胺基N-型高分子半導體的最新研究進展。首先介紹了代表性的N-型高分子半導體材料及N-型高分子的設計策略，然後系統地介紹了新型醯亞胺基高分子半導體在有機場效應電晶體和有機太陽能電池中的應用。從材料設計和化學合成角度出發，重點闡述了材料的結構-性能之間的關係，揭示了基於新型醯亞胺的高分子半導體在電子結構和形貌方面優勢。通過在噻吩β位引入不同的修飾基團(如CN等)或進行共軛長度的延伸等方式，能夠進一步有效地調控缺電子單元的基本性質，為N-型高分子半導體材料的設計和性能的進一步提升提供了更優異的構建單元和多樣化的可行性。最後，本專論對N-型醯亞胺高分子在高性能全聚合物太陽能電池及有機場效應電晶體方面的前景和重點發展方向進行了展望。



郭旭崗，男，1976年生。南方科技大學材料科學與工程系教授，博士生導師，分別於1999和2002年在蘭州大學獲學士和碩士學位(導師：楊正銀教授)，2009年在美國肯塔基大學獲博士學位(導師：Mark  D.  Watson教授)，2009  ~  2012年在美國西北大學Tobin  J.Marks教授課題組進行博士後研究。2012年加入南方科技大學任副教授，2018年晉升為教授。主持和完成國家自然科學基金面上項目/深圳市孔雀團隊等項目8項。2013年入選深圳市孔雀計劃B類人才，2018年被評為廣東省珠江學者特聘教授。主要研究方向是有機和高分子半導體材料及其光電器件。

Yong-qiang Shi, Ying-feng Wang, Xu-gang Guo. Recent Progress of Imide-Functionalized N-type Polymer Semiconductors. Acta Polymerica Sinica,  2019, 50(9).

史永強, 王英鋒, 郭旭崗. 醯亞胺基N-型高分子半導體研究進展. 高分子學報，2019, 50(9).

Doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2019.19100

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電話：010-62588927

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