共轭高分子是一类非常重要的半导体材料,被广泛应用于有机/高分子发光器件、场效应晶体管器件和太阳能电池器件等。共轭高分子的LUMO/HOMO能级是其最重要的物理参数之一,直接影响了材料的应用角色和器件性能。目前,p-型高分子(高LUMO/HOMO能级)和双极性高分子(低LUMO能级,高HOMO能级)被系统的研究和大量的报道。相对比,n-型高分子(低LUMO能级,低HOMO能级)却很少见。因此,新颖的分子设计策略进行大幅降低高分子的LUMO/HOMO能级(>0.5 eV),关于这方面的研究对于发展高性能n-型高分子是非常重要的。

        基于对有机硼化学的理解,在本文中提出了一种新颖有效的同时降低共轭高分子轨道能级的方法,即在共轭高分子的重复结构单元中,用一个B←N键取代C–C键,能使整个高分子的LUMO/HOMO能级降低0.5–0.6 eV,将常用的电子给体材料转变为电子受体材料。高分子的分子结构如图中显示,P-CC是一常见的电子给体材料,其LUMO/HOMO能级分别为-3.11/-5.37 eV,经合理设计合成路线,将其一重复单元CPDT中的C–C键由B←N键取代后制备得到高分子P-BN,该分子轨道能级同时大幅度降低,其LUMO能级降低了0.65 eV, HOMO能级降低了0.53 eV。P-BN的LUMO能级为-3.76 eV,与常用的太阳能电池受体材料PCBM的LUMO能级(-3.88 eV)相当。分子能级比较说明B←N键取代C–C键可以将这类常用的电子给体材料转变为电子受体材料。

C. D. Dou, Z. C. Ding, Z. J. Zhang, Z. Y. Xie, J. Liu*, L. X. Wang, Angew. Chem. Int. Ed.,2015, 54, 3648. Hot Paper.