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本论文围绕半导体和绝缘体两大类有机光电功能材料的合成及性能,研究了几类传统的π-共轭聚合物半导体材料的新型合成方法,以及新型高性能有机绝缘材料的合成及性能。论文分为两大部分: 第一部分:传统的π-共轭聚合物半导体的新型合成方法研究。 π-共轭类聚合物由于具有优异的光电性能而被广泛应用于电子、电器和医疗检测等行业。近年来,各种新型的π-共轭聚合物相继被报道,其独特的电子结构和稳定性,可望在更广泛的领域得到应用。然而,现有的π-共轭类聚合物合成方法因成本较高、制备条件苛刻等原因,限制了这类聚合物的研究和应用。因此,研究π-共轭类聚合物的高效和低成本合成方法,无疑对于推动该领域的研究与发展具有重要意义。 基于以上现状,本文创新地将金属催化的芳香族小分子氧化偶联反应,应用到聚合物合成中,发展了两种共轭聚合物的合成方法。 一、聚芴的合成新方法研究。 利用芳香烃硼酯的氧化自偶联反应,首次用二价钯为催化剂,在氧气存在下,于无碱介质中,实现了芴二硼酯的偶联聚合。与最常用的Suzuki反应相比,本方法实验条件简便、所获得π-共轭类聚合物的分散度较小。 二、聚芴、聚咔唑和聚烷氧基苯的合成新方法研究。 利用芳香烃格氏试剂的氧化自偶联反应,首次以脂肪族二溴化物为氧化剂,以芳香类二卤代物的双格氏试剂为单体,在三价铁存在下,实现了三类共轭聚合物(聚芴、聚咔唑和聚烷氧基苯)的合成。和已有的Kumada等反应相比,本文所提供的方法因不使用贵金属催化剂而具有成本低的特点。但是,由于影响格氏试剂氧化偶联反应的因素较多,需要进一步探索和寻求较高分子量聚合物的途径。 第二部分:新型高性能有机绝缘材料的合成及性能。 人们对微处理器的计算能力提出越来越高的要求,同时期待着能够将电子设备更加袖珍化,这使得制备和集成微型化的器件成为微电子领域一直关注的焦点。当集成电路的特征尺寸减小至180纳米或更小时,互联寄生的电阻、电容引起的电容-电阻延迟,互联串扰和电能损耗已成为发展高速、高密度、低功耗和多功能集成电路所亟需解决的瓶颈问题。金属连线间的低介电常数材料的开发及成功实现其在芯片上的应用已成为解决上述问题的主要突破点。据此,我们在该领域作以下研究: 一、含联萘和六氟环丁基醚单元的低介电常数聚合物合成及其性能。 利用联萘的高热稳定性和六氟环丁基醚的高绝缘性能,设计了一种含联萘和六氟环丁基醚单元的聚合物利用经典的肖尔反应,获得了成膜性良好的聚合物PFCB-BNE。物理测试结果表明,在30 MHz下,其介电常数为2.33,介电损耗小于1.21×10-3。聚合物粉末和薄膜的X衍射表明,该聚合物为无定形结构,表明其介电性能及热力学性能不会显现各向异性。聚合物薄膜显示出优异的疏水性和低的吸水率(聚合物薄膜相对于水的接触角为101°,在相对湿度为75%的环境中48小时后其总的吸水率小于0.12%)。通过纳米压痕技术,测试了聚合物薄膜的基本力学性质,结果表明,聚合物薄膜的模量、硬度及与硅片的结合强度分别是17.13 Gpa、0.392 GPa和13.46 GPa,原子力显微镜对膜表面的分析结果显示,PFCB-BNE在硅片上所形成的薄膜表面粗糙度小于7纳米。聚合物耐热性能测试表明,在氮气氛中,PFCB-BNE的5%热失重温度为437℃,900℃残碳率为54.24%。 以上结果表明,聚合物完全能够满足现有的90纳米集成电路制造工艺对低介电常数材料的需求。 二、含六氟环丁基醚侧基有机硅氧烷低介电常数材料的合成及其性能。 基于有机硅氧烷的高耐热性和良好的加工性,设计并合成了一类含有三氟乙烯基芳基醚侧基的有机硅氧烷齐聚物。将该齐聚物预聚体旋涂成膜后,直接高温固化得到交联网状有机固体薄膜。所获得的薄膜在氮气气氛下,5%重量损失温度(T5d)为471℃,硬度为0.392 GPa,杨氏模量为10.06 GPa,与硅片的结合强度为4.93 GPa。在30 MHz下,该薄膜的介电常数为2.33,并且在40Hz~30MHz范围内,其介电常数低于2.45,介电损耗小于2.1×10-3。 已知的有机硅氧烷中,分子量的扩大或聚合物的交联往往需要外加催化剂或交联剂来完成。本文所获得的含有三氟乙烯基芳基醚侧基的有机硅氧烷齐聚物,仅仅采用加热的方式就能实现有机硅氧烷的交联,无疑为有机硅树脂的合成,提供了新的方法。