聚合物半導體材料具有質量輕、柔性好和可溶液加工等特點，在有機場效應晶體（OFET）和有機太陽能電池（OSC）中具有良好的應用前景。半導體材料按其載流子傳輸類型可分為p型、n型和雙極性材料，其載流子分別為空穴、電子、空穴和電子。這三種不同類型的半導體材料在柔性有機電路中都具有獨特的應用價值。目前，如何通過分子結構設計實現高遷移率的聚合物半導體材料以及載流子傳輸特性的有效調節仍然非常困難。
最近，華中科技大學的王帥教授課題組和中國科學院化學研究所的郭云龍研究員/劉云圻院士團隊合作，在Advanced Materials 上發表論文，報道了一類高性能的雙極性聚合物半導體材料。他們利用二氟連二噻吩（2FBT）單元和含有不同氟原子的異靛藍（IID）基團共聚，合成了三種氟原子數量依次增加的聚合物 (圖1)。
圖1. 基于2FBT給體的聚合物分子結構示意圖。
理性的設計調節了材料的分子結構和能級結構，改善電子注入，就可以使p型輸運材料變成雙極性輸運材料。OFET器件測試的結果表明，隨著氟原子的增加，PIID-2FBT、P1FIID-2FBT和P2FIID-2FBT分別表現出p型為主、平衡的雙極性和n型為主的傳輸特性（圖2a）。其中，P2FIID-2FBT的電子遷移率超過9 cm2?V?1?s?1，是目前最好的結果之一。隨著氟原子個數的增加，聚合物分子的最高占有分子軌道（HOMO）能級和最低未占分子軌道（LUMO）能級呈現降低的趨勢（圖2b）。因此，氟原子的引入改善了由金電極向半導體材料注入電子的能力。
圖2.（a）聚合物FET的空穴和電子遷移率；（b）聚合物的HOMO和LUMO能級；（c）理論計算得出聚合物的空穴和電子有效質量，me表示一個電子的質量。
他們通過分子內電荷“有效質量 (m*)”的計算，發現氟原子的引入同時減小了空穴和電子的有效質量（圖2c）。其中，P2FIID-2FBT空穴和電子的有效質量分別為0.097 me和0.116 me。可以這樣理解“有效質量 (m*)”：施加相同的電壓后提供動力，質量小的載流子跑得快。因此，相比其他兩種聚合物，P2FIID-2FBT較高的電子遷移率除了歸因于更有效的電子注入外，還可以歸因于較小的電子有效質量。
該工作報道的3種基于2FBT給體的聚合物均表現出優異的雙極性傳輸特性，證明優異的雙極性材料的合理設計非常重要。其中，P2FIID-2FBT的電子遷移率超過9 cm2?V?1?s?1。這一概念對新型高性能半導體材料的分子設計具有指導意義。
論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702115/abstract
