[发明专利]基于单氟取代苯并杂环的区域规整三元共聚物及其应用

说明书

技术领域

本发明属于有机光电材料技术领域，具体涉及基于单氟取代苯并杂环的区域规整三元共聚物及其应用。

背景技术

可溶液加工的有机半导体材料因具有低成本、大面积、柔性、轻薄等优点而广泛应用于有机发光二极管、有机太阳电池以及有机场效应晶体管中。最近五年来，利用给体-受体(D-A)型结构单元构建共轭聚合物主链使共轭聚合物在有机场效应晶体管中获得巨大进展，目前报道的场效应迁移率达到了5-10cm²/Vs，已经超过了无定形硅[Adv.Mater.2014,26,2636-2642；J.Am.Chem.Soc.2014,136,9477-9483]。这类D-A型共聚物在固体薄膜中具有较强的分子间相互作用以及电子耦合作用，因此可以有效提升聚合物薄膜的载流子迁移率[Acc.Chem.Res.2014,47,1117-1126]。对于利用结构不对称单元构建D-A型共聚物时，通过构建区域规整的聚合物主链，实现不对称单元在聚合物主链中排列方向一致，避免聚合物因不同批次而造成分子构象、前线轨道能级、电子结构等不同。利用结构不对称的单元两端的卤代原子在钯催化偶联反应中的反应活性不同，构建基于结构对称的A-D-A型的大分子单体，再与给体单元聚合，制备区域规整的共轭聚合物，显著提升聚合物的迁移率。目前为止，公开报道的迁移率最高的共轭聚合物正是基于结构不对称单元吡啶基[2,1,3]噻二唑单元与噻吩并环戊二烯单元交替共聚的主链结构的区域规整的共轭聚合物PCDTPT，其主链结构特点是不对称单元吡啶基[2,1,3]噻二唑的氮原子在主链中采取一定的方向排列[J.Am.Chem.Soc.2011,133,18538-18541]，研究发现，这种聚合物在表面带有纳米尺度沟槽的介电衬底上形成纤维状大规模有序排列的薄膜，其薄膜场效应空穴迁移率超过20cm²/Vs[Adv.Mater.2014,26,2993-2998]。

然而，对于此类基于不对称结构的区域规整共轭聚合物，如何进一步通过合适的结构设计，实现对主链中分子内电荷转移效应与聚合物薄膜形貌调控，进而提升聚合物的载流子迁移仍然鲜有报道。

本发明通过构建一类基于结构不对称的区域规整三元共聚物，其主链包含两种不同的给电子单元，这两种给单子单元发挥着不同的作用，一种是带有溶解性侧基，保证聚合物的溶解度，从而实现溶液加工方式制备器件；另一种则是由1～4个芳香基团通过并环或者联环方式构成，不具有提供溶解性能的侧基。而对于缺电子单元，采用含有单氟取代的苯并杂环结构构成，其氟原子具有较强的吸电子性能可以有力推动聚合物分子内电荷转移作用，同时，氟原子可以与其旁边的给电子单元形成F···S的非键作用，保证聚合物中的载流子可以在平面、具有刚性的主链结构中传输。这些特点使这种新型的基于结构不对称的区域规整共轭三元共聚物在有机太阳电池与有机场效应晶体管领域具有很大的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单氟取代苯并杂环的区域规整三元共聚物。该聚合物实现了主链中分子内电荷转移效应与聚合物薄膜形貌调控，进而提升聚合物的载流子迁移。

本发明还提供所述基于单氟取代苯并杂环的区域规整三元共聚物在制备有机光电器件中的应用。

基于单氟取代苯并杂环的区域规整三元共聚物，具有如下化学结构式：

式中，Ar1，Ar2为具有芳香基团的给电子单元，Ar3为与单氟取代苯共同构建缺电子单元的杂环结构；n为聚合度，n＝1～100。

进一步地，所述给电子单元Ar1为如下结构式中的任意一种：

进一步地，所述给电子单元Ar2为如下结构式中的任意一种：

其中，R为氢、碳原子数1～30的烷基、一个以上的碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、硝基、苯基或噻吩基取代的碳原子数1～30的烷基、或为一个以上的氢原子被卤素取代的碳原子数1～30的烷基。

进一步地，所述杂环结构Ar3为如下结构式中的任意一种：

其中，R为氢、碳原子数1～30的烷基、一个以上的碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、硝基、苯基或噻吩基取代的碳原子数1～30的烷基、或为一个以上的氢原子被卤素取代的碳原子数1～30的烷基。