聚合物場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究.pdf

1、本論文的主要工作是研究聚合物場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料中結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系,并在結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系研究的基礎(chǔ)上,合理設(shè)計(jì)合成新的高性能共軛聚合物材料。
　　在第一部分工作中,我們從常常被人們忽略的弱相互作用——烷基鏈間的相互作用出發(fā),分析了烷基鏈對(duì)聚合物主鏈可能產(chǎn)生的影響。設(shè)計(jì)并合成了世界上第一個(gè)基于異靛青(isoindigo)結(jié)構(gòu)單元的聚合物場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料。研究發(fā)現(xiàn)該類(lèi)聚合物具有較低的HOMO能級(jí),因此具有很好的空氣穩(wěn)定性,并可在濕度高達(dá)60

2、％的空氣中穩(wěn)定長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月之久。為了探究異靛青類(lèi)聚合物的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系,并希望通過(guò)對(duì)異靛青骨架的研究探討一些普適性的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略,我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)合成了十多種該類(lèi)聚合物材料,深入開(kāi)展了聚合物主鏈的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的研究。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚合物片段的對(duì)稱(chēng)性和聚合物骨架在膜狀態(tài)下的構(gòu)象具有密切的關(guān)系,并且極大地影響著聚合物的有序排列,從而影響聚合物材料在膜狀態(tài)下的遷移率。我們通過(guò)在噻吩片段引入甲基的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了我們關(guān)于烷基鏈對(duì)分子間相互

3、作用的影響的推測(cè)。為進(jìn)一步減小烷基側(cè)鏈對(duì)共軛骨架間π-π相互作用的影響,我們首次開(kāi)展了烷基鏈分叉位置影響的研究,發(fā)現(xiàn)隨著分叉位置漸漸遠(yuǎn)離聚合物的主干,π-π堆積距離會(huì)逐漸變小,當(dāng)距離為三個(gè)亞甲基時(shí)達(dá)到了最大遷移率3.62 cm2 V–1 s–1。此研究結(jié)果揭示了烷基鏈對(duì)材料性能的復(fù)雜影響,對(duì)聚合物材料的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。
　　在第二部分工作中,我們致力于通過(guò)對(duì)聚合物骨架的修飾改變聚合物的載流子傳輸性質(zhì),并提高器件的穩(wěn)定性。我

4、們通過(guò)在異靛青上引入氟原子降低了聚合物的LUMO能級(jí),該聚合物實(shí)現(xiàn)了可在空氣中加工和測(cè)試的雙極傳輸性質(zhì),空穴遷移率達(dá)到1.85 cm2 V–1 s–1,電子遷移率達(dá)到0.43 cm2 V–1 s–1。另一方面,盡管氟原子被廣泛用于修飾共軛聚合物,而氯原子對(duì)共軛聚合物進(jìn)行修飾則未見(jiàn)報(bào)道。我們通過(guò)高效的區(qū)域選擇性氯化反應(yīng),將氯原子引入異靛青聚合物,首次實(shí)現(xiàn)了空氣穩(wěn)定的平衡的雙極性傳輸性能,并且基于該聚合物的反相器器件也表現(xiàn)出了很高的增益。這

5、一結(jié)果為提高聚合物中的電子遷移率和穩(wěn)定性提供了一個(gè)新的設(shè)計(jì)思路。
　　在第三部分工作中,我們利用從異靛青類(lèi)聚合物結(jié)構(gòu)與性能研究的成果,通過(guò)分析對(duì)苯撐乙烯(PPV)體系低遷移率的原因,發(fā)展了一種全新的缺電子分子骨架 BDOPV,該分子表現(xiàn)出了明顯低于傳統(tǒng)缺電子片段的LUMO能級(jí)(–4.24 eV)。我們首先將其用于高遷移率PPV類(lèi)材料構(gòu)筑,設(shè)計(jì)合成了聚合物BDPPV。其在空氣中表現(xiàn)出了很高的電子遷移率,達(dá)到了1.1 cm2 V–1

6、s–1。該研究結(jié)果改變了PPV材料僅具有較低遷移率的歷史,證明了PPV類(lèi)衍生物在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用前景?；贐DOPV結(jié)構(gòu),我們使用噻吩作為給體合成了基于這一結(jié)構(gòu)的給受體類(lèi)聚合物BDOPV-2T。該聚合物在空氣下表現(xiàn)出了高達(dá)1.74 cm2 V–1 s–1的電子遷移率。在氧氣摻雜條件下,該聚合物進(jìn)一步表現(xiàn)出了高效的雙極性傳輸,其電子遷移率高達(dá)到1.45 cm2 V–1 s–1,空穴遷移率達(dá)到0.47 cm2 V–1 s–1,進(jìn)一步證明

7、BDOPV是一個(gè)很好的聚合物場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)單元。此外,根據(jù)該研究結(jié)果,我們還對(duì)氧氣摻雜的原理開(kāi)展了進(jìn)一步的理論計(jì)算研究和機(jī)理探討。
　　論文的第四部分總結(jié)了博士期間關(guān)于有機(jī)微納晶體生長(zhǎng)機(jī)理的相關(guān)研究工作。為了設(shè)計(jì)合成具有特定功能的微納米結(jié)構(gòu),我們首先在超分子聚合物納米線的側(cè)基引入了不同的官能團(tuán)。在引入這些官能團(tuán)后,單體依然保持了很好的一維生長(zhǎng)傾向,同時(shí)它們的發(fā)光性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化。這一研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米線的“正交修飾”,即引入官

8、能團(tuán)后并未對(duì)自組裝性質(zhì)產(chǎn)生明顯的影響。為了進(jìn)一步研究這類(lèi)有機(jī)微納材料生長(zhǎng)機(jī)理,我們利用動(dòng)態(tài)光散射(DLS)技術(shù)原位監(jiān)測(cè)了納米線的生長(zhǎng)過(guò)程,并利用TEM和AFM進(jìn)一步研究了功能化納米線的微觀排列。我們提出了納米線的形成過(guò)程包括成核、增長(zhǎng)、“oriented-attachment”過(guò)程和融合等4個(gè)過(guò)程。該研究首次將“oriented-attachment”理論應(yīng)用于有機(jī)材料生長(zhǎng)機(jī)理的研究中,為控制有機(jī)微納材料的生長(zhǎng)提供了很好的設(shè)計(jì)思路。