【摘 要】
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近年来,能源与环境问题越发严峻,“双碳”战略也随国家的计划提升日程。新型的能源材料已成为了目前炙手可热的研究课题,共轭聚合物半导体材料是其中之一。作为构筑共轭聚合物的受体单元,氟化苯并噻二唑单元具有吸电子能力强、平面性好、迁移率高等优点,非常适合应用于各种能源或电子器件。但是,目前共轭聚合物因成本较高、加工溶剂污染大等问题,导致大规模应用难以实现。因此,为了制备性能优异的共轭聚合物,不仅需要探索低
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近年来,能源与环境问题越发严峻,“双碳”战略也随国家的计划提升日程。新型的能源材料已成为了目前炙手可热的研究课题,共轭聚合物半导体材料是其中之一。作为构筑共轭聚合物的受体单元,氟化苯并噻二唑单元具有吸电子能力强、平面性好、迁移率高等优点,非常适合应用于各种能源或电子器件。但是,目前共轭聚合物因成本较高、加工溶剂污染大等问题,导致大规模应用难以实现。因此,为了制备性能优异的共轭聚合物,不仅需要探索低成本、低污染、短周期的合成方法,而且需要研究其结构与性能之间的关系,为设计与合成新材料结构提供依据。本文以氟化苯并噻二唑类聚合物作为研究对象,引入微波法进行实验,提升了实验产率,而且缩短了实验周期。将合成的材料采用一系列的表征和性能测试,得到了热学性能、光学性能、电学性能等数据,最终将其制成了有机场效应晶体管,得到了优良的性能。具体从如下几个方面开展研究:(1)以2-癸基-1-十四醇为原料,针对氟化苯并噻二唑系列材料的合成成过程中,存在毒性大、周期长、产率低等一系列问题,通过优化反应温度、时间、操作方法、提纯方法等手段来解决以上问题,使得总产率达20%以上。通过引入微波法,缩短反应周期5天以上,并且提升了聚合物的分子量。最终合成了一系列不同分子量的聚合物(Pff BT4T-2DT),研究了其热性能、光学性能等,并成功应用于场效应晶体管。制备的共轭聚合物具有优良的热稳定性,质量损失5%的温度达到405℃。高分子量的聚合物拥有更宽的吸收光谱和更强的链间聚集能力。聚合物薄膜均匀,粗糙度均在0.83左右。晶体管测试结果表明,高分子量聚合物应用于场效应晶体管时性能更佳,迁移率达到0.124 cm~2V-1s-1,阈值电压降低到2 V。(2)针对2NT侧链聚合物的合成成本高、周期长等问题,通过优化实验方案,将2NT聚合物总产率提升至15%以上,降低了实验成本,缩短了实验周期。表征所制备的聚合物,发现其热稳定性随侧链缩短而增加,吸收光谱的吸收峰随着侧链变短略微红移,聚集性增加。2OD侧链聚合物的聚集性太强,不易通过溶液温度控制溶液加工性能。AFM测试表明2NT侧链聚合物薄膜均匀,粗糙度为0.770,而2OD的粗糙度为5.43。晶体管测试结果表明,高分子量Pff BT4T-2NT的场效应晶体管性能最优,迁移率达到0.252 cm~2V-1s-1,阈值电压为25 V,其迁移率远高于2OD与2DT侧链聚合物的晶体管。(3)考虑到前两章聚合物溶解性不佳与溶剂有毒且污染环境的问题,于是引入呋喃代替噻吩,得到了Pff BT2T2F-2DT、Pff BT2T2F-2OD和Pff BT3T1F-2DT三种聚合物。三个聚合物的溶解性极佳,甚至可使用非卤素溶剂1,4-二氧六环进行溶液加工。表征发现Pff BT2T2F-2OD具有明显的温度依赖聚集性,热稳定性相比替换前略微降低,薄膜吸收光谱变窄,带隙变宽。制成场效应晶体管后,发现呋喃替换后的聚合物制成的晶体管其阈值电压得到了大幅度降低(小于0 V)。综上所述,通过优化合成方案,降低了聚氟化苯并噻二唑类聚合物的合成成本,引入微波法辅助反应,提升了聚合物产率并缩短实验时间。最终合成了多种基于氟化苯并噻二唑的共轭聚合物半导体材料,它们具有良好的溶液加工性。最后,成功将以上多种共轭聚合物成功应用于有机场效应晶体管,并具有良好的性能。
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