平衡雙極性有機(jī)高分子半導(dǎo)體是實(shí)現(xiàn)有機(jī)電路的重要材料。在本工作中，中科院化學(xué)所董煥麗研究員團(tuán)隊(duì)及其合作者發(fā)展了一種新型不對(duì)稱噻吩/吡啶側(cè)翼的吡咯并吡咯二酮共聚物半導(dǎo)體材料（PPyTDPP-2FBT）。得益于PPyTDPP-2FBT合理的能級(jí)分布和分子共軛結(jié)構(gòu)，基于該材料的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件展現(xiàn)了典型的V-型平衡雙極性傳輸特性。作者利用該材料進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高性能單組份有機(jī)反相器和倍頻器的構(gòu)建。其良好的可溶液加工性和批次重復(fù)性表明，PPyTDPP-2FBT及其相關(guān)拓展共軛分子材料在大面積、低成本柔性有機(jī)集成電路方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。平衡雙極性共軛高分子半導(dǎo)體是實(shí)現(xiàn)低成本、大面積、簡(jiǎn)單制備的有機(jī)數(shù)字和模擬電路的重要材料。近年來，盡管共軛高分子半導(dǎo)體材料獲得了快速發(fā)展，但是兼具良好可溶液加工性和批次重復(fù)性的平衡雙極性共軛高分子材料仍比較少，這在一定程度上限制了低成本柔性有機(jī)集成電路領(lǐng)域的研究。中科院化學(xué)所董煥麗研究員團(tuán)隊(duì)及其合作者，在前期工作基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了一種新型不對(duì)稱噻吩/吡啶側(cè)翼的吡咯并吡咯二酮共聚物半導(dǎo)體材料PPyTDPP-2FBT（圖1），作者通過引入F原子可以與噻吩上的S原子形成F---S構(gòu)象鎖，不僅有效拉低了聚合物分子的LUMO能級(jí)，也提升了分子的共軛骨架平面性，設(shè)計(jì)合成的PPyTDPP-2FBT共聚物表現(xiàn)出典型的V形的雙極性場(chǎng)效應(yīng)轉(zhuǎn)移特性。
圖1. 聚合物半導(dǎo)體材料的PPyTDPP-2FBT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其材料特性
作者采用了頂柵底接觸（TGBC）的器件結(jié)構(gòu)（圖2a），在柔性的PET基底上構(gòu)筑了其薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管(圖2b)，研究表明，該材料展現(xiàn)了優(yōu)異的平衡雙極性傳輸特性（圖2c-f），同時(shí)具有良好的可溶液加工性和批次重現(xiàn)性(圖2g)。
圖2. (a) 器件構(gòu)型、(b) 柔性展示、(c) 轉(zhuǎn)移曲線、(d) 輸出曲線、(e、f) 電子和空穴遷移率統(tǒng)計(jì)分布、(g) 批次重現(xiàn)性。
進(jìn)一步地，基于PPyTDPP-2FBT共聚物的薄膜OFET，作者成功構(gòu)建了反相器和倍頻器等有機(jī)數(shù)字電路和模擬電路（圖3），由于PPyTDPP-2FBT良好的平衡傳輸特性，反相器具有133的高增益值。同時(shí)，倍頻器成功對(duì)10Hz的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化且不失真，這也是首次實(shí)現(xiàn)了基于單組份的雙極性聚合物的倍頻器。此外，基于PPyTDPP-2FBT的器件還表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和批次可重復(fù)性，表明其在有機(jī)集成電路中具有很大的應(yīng)用潛力。
圖3. (a) 有機(jī)反相器電路、(b) 噪聲容限、(c) 增益和漏電流、(d) 倍頻器電路、(e) 5個(gè)循環(huán)后的轉(zhuǎn)移曲線（f) 10個(gè)循環(huán)后的倍頻信號(hào)輸出。
論文第一作者為中科院化學(xué)所博士生楊佳鑫，通訊作者為董煥麗研究員。 詳見：Yang J, Liu Q, Hu M, Ding S, Liu J, Wang Y, Liu D, Gao H, Hu W, Dong H. Well-balanced ambipolar diketopyrrolopyrrole-based copolymers for OFETs, inverters and frequency doublers. Sci. China Chem., 2021, 64, DOI:10.1007/s11426-021-1037-3.
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通訊作者簡(jiǎn)介
董煥麗，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師。國(guó)家杰出青年科學(xué)基金和中組部萬人計(jì)劃青年拔尖人才項(xiàng)目獲得者，先后獲得中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(5/5)等獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)。在有機(jī)高分子光電功能材料與器件方面開展了系統(tǒng)和具有特色的研究，目前在Nat. Chem., Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev. 等上發(fā)表論文200余篇，被SCI引用7500余次。
