[发明专利]基于异靛蓝衍生物的电子传输型聚合物及有机场效应晶体管

说明书

本发明提供一种基于异靛蓝衍生物的电子传输型聚合物及有机场效应晶体管，选取吸电子能力强的氟代异靛蓝或氮杂异靛蓝为第一聚合单体，平面性好、最高被占据轨道(HOMO)能级低的四氟代二噻吩乙烯或四氟代联噻吩为第二聚合单体。多个氟原子的引入使得提供的聚合物具有如下优势，(1)低的最高未占据轨道(LUMO)和HOMO能级，导致在有机场效应晶体管器件中电子能够有效注入并能在空气中稳定传输；同时空穴难以注入，从而使得所提供的聚合物具有空气稳定的电子传输特性。(2)好的共轭骨架平面性和强的分子间相互作用，使得该聚合物半导体材料具有高的电子迁移率，最高达到5.0cm²/V·s。(3)可以采用直接芳基化反应制备。

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，更具体地说，涉及一种电子传输型聚合物半导体材料和有机场效应晶体管。

背景技术

由于聚合物半导体材料可采用溶液旋涂、印刷、打印等加工手段制备低成本、大面积的有机场效应晶体管等电子器件，近年来备受关注。有机场效应晶体管的活性层部分是有机半导体层。有机半导体层按照传输载流子种类的不同可以分为p型材料(传输空穴)，n型材料(传输电子)和双极传输材料(即能传输空穴也能传输电子)。就目前的研究情况而言，p型材料的研究较多且发展很快，聚合物材料的迁移率已经超过10cm²/V·s，达到多晶硅的水平。相比而言，n型聚合物材料则发展缓慢，器件的迁移率明显低于p型材料，且空气稳定性不好。而互补性反相器和逻辑电路的发展离不开高性能的n型传输材料。因此，发展空气稳定性好的n型(传输电子)聚合物材料成为当前研究的重点。目前，空气稳定且迁移率超过1cm²/V·s的n型聚合物材料主要是基于萘二酰亚胺衍生物(J.Am.Chem.Soc.2016,138,3679)和基于引入内酰胺的对苯撑乙烯类化合物(中国专利CN201410004856.6；Adv.Mater.2016,28,7213)构建的。

异靛蓝类聚合物作为场效应晶体管材料近年来进行了很多研究。这些研究都只是针对基于异靛蓝类材料的空穴或双极传输性能，然而对其电子传输性能的研究明显滞后。例如，基于异靛蓝的p型聚合物的空穴迁移率可以达到3.6cm²/V·s(Adv.Mater.2012,24,6457)；基于卤素取代异靛蓝的双极传输聚合物的空穴和电子迁移率在1cm²/V·s左右(J.Am.Chem.Soc.2012,134,20025；Chem.Sci.,2013,4,2447)；基于氮杂异靛蓝的聚合物表现出高的空穴传输能力，迁移率达到8cm²/V·s(Chem.Mater.2016,28,2209)。相比之下，基于异靛蓝的聚合物的电子迁移率仅在0.22cm²/V·s(Chem.Commun.,2014,50,2180)。

目前，高迁移率共轭聚合物主要采用传统的Stille过渡金属催化的偶联缩聚反应制备，不仅需要高纯度的含锡聚合单体，合成过程复杂繁琐，而且同时生成有机锡化合物等有害副产物。碳氢直接芳基化反应是近年来发展起来的一类新型偶联反应，具有原子经济性好、绿色环保等优点，但受限于C-H键的反应活性较低以及反应选择性较差的问题，一直难以应用到高迁移率共轭聚合物的合成中。因此，采用高效的碳氢直接芳基化聚合反应也是本领域研究人员关注的热点。

因此，本发明提供一种基于异靛蓝衍生物的电子传输型聚合物及聚合物半导体材料，该聚合物半导体材料具有高的电子迁移率，从而满足在有机场效应晶体管中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种聚合物及聚合物半导体材料，该聚合物具有高的电子迁移率；本发明还提供基于异靛蓝衍生物的电子传输型聚合物及有机场效应晶体管。

具体技术方案如下：

本发明提供一种式(I)所示的基于异靛蓝衍生物的电子传输型聚合物：