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内容

n-型高分子半导体的设计新思路——p-π共轭

 

        不同于无机半导体,高分子半导体具有可溶液加工、柔性、低成本的特点,被广泛应用于有机发光二极管、有机场效应晶体管以及有机太阳能电池中。传输正电荷(空穴)的p型高分子半导体很多,而传输负电荷(电子)的n型高分子半导体的数量和种类都很少。因此,发展n型高分子半导体的设计新方法,无疑具有重要科学意义和潜在应用价值。

       从原理上说,由于硼原子有空p轨道,基于三芳基硼的p-π共轭高分子应该具有n型性质,但是在实验上,p-π共轭的n-型高分子半导体从未被实现过。其原因在于两方面,一是硼原子的空p轨道容易被空气中的水蒸气和氧气进攻,导致稳定性差;二是三芳基硼的缺电子性质不够强,导致高分子的电子能级不够低。

        近日,中国科学院长春应用化学研究所的刘俊研究员课题组与美国罗格斯大学Frieder Jäkle教授课题组合作,成功实现了基于三芳基硼的p-π共轭n-型高分子半导体。他们首先在与硼原子相邻的苯环上引入两个三氟甲基作为位阻,保护硼原子的空p轨道不受水、氧的进攻,提高了三芳基硼的稳定性,然后将三芳基硼与缺电子单元共聚,降低了高分子的电子能级。以上分子设计得到的三芳基硼p-π共轭n-型高分子半导体,不仅具有低的电子能级,利于电子从电极注入到高分子;而且具有较高的电子迁移率,利于电子在高分子中的输运。作者还实现了该n型高分子半导体的应用,作为电子受体材料,组装了全高分子太阳能电池,能量转换效率2.8%。

        以上研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition, 2018, 57, 2183。长春应化所孟彬博士为论文第一作者,长春应化所为论文第一单位,刘俊研究员与Frieder Jäkle教授为论文的共同通讯作者,该工作得到了科技部973项目(No. 2014CB643504)、国家自然科学基金委项目(No. 21625403, 51603203)、中国科学院战略先导项目(No. XDB12010200)的大力支持。