近年來，共軛給體-受體（D-A）聚合物因其優異的半導體性能和可靠性，在柔性電子器件領域展現出巨大潛力。然而，受體結構單元的研發相較于給體單元仍然滯后，制約了雙極性及n型半導體聚合物（尤其是雙極性材料）的發展。這一瓶頸不僅影響了材料的電荷傳輸能力，也限制了其在有機光電器件中的應用。為推動該領域的進一步發展，科研人員正致力于新型受體結構單元的設計與合成，以豐富共軛D-A材料的多樣性。

近日，蘭州大學劉子桐教授課題組將典型受體單元—吡咯并吡咯二酮(DPP)—進行改進，提出了“二合一”DPP的設計策略，構建了一種新型受體結構單元2Ar’Ar2DPP（圖一），該結構單元通過對傳統DPP進行修飾合成，將兩個DPP單元與三個芳基結構結合，構建了新型2Ar’Ar2DPP受體單元（包括2TPh2DPP和3T2DPP），在此基礎上制備了相應的聚合物（包括P2TPh2DPPFT和P3T2DPPFT），并將其應用到高性能、高可靠性的柔性有機場效應晶體管器件中。

圖一：新型“二合一”受體結構單元2Ar’Ar2DPP結構示意圖

如圖二所示，作者首先采用多種市售原料作為起始底物，包括伯胺類化合物、草酸鈉二乙酯、1,4-二醛基苯以及2,5-二醛基噻吩，通過條件篩選和優化，成功構筑了2Ar'Ar2DPP （2TPh2DPP和3T2DPP）。

圖三：基于2Ar'Ar2DPP的聚合物P2TPh2DPPFT與P3T2DPPFT合成路線及對比聚合物PDPPFT結構

通過研究2TPh2DPP和3T2DPP的結構-性能關系（圖四），發現3T2DPP具有更優的主鏈平面性、更長的π共軛體系及更高效的分子內D-A相互作用。與傳統噻吩修飾的DPP及其二聚體相比，3T2DPP表現出更低的LUMO能級和更窄的帶隙。此外，其分子結構對稱性的改變誘導出較大的偶極矩，從而增強了分子間相互作用。這一結果體現了通過改變中心核結構實現2Ar'Ar2DPP多樣化的設計優勢。

圖四：受體結構單元理論計算研究和紫外吸收光譜

如圖所示，基于2Ar’Ar2DPP的聚合物在柔性有機場效應晶體管中展現出雙極性半導體性能，值得關注的是，3T2DPP基聚合物展現出優異的雙極性傳輸性能，其空穴和電子遷移率分別達到6.0 cm2 V?1 s?1和2.1 cm2 V?1 s?1，且具有更好的彎折穩定性。這些研究結果表明，2Ar'Ar2DPP作為一種新型電子受體結構單元，在半導體聚合物設計和柔性電子器件發展方面具有重要應用前景。

圖五：柔性有機場效應晶體管的電荷傳輸特性

綜上所述，本研究成功設計并合成了一種新型“二合一”電子受體結構單元2Ar'Ar2DPP（2T2Ph2DPP與3T2DPP），該結構不僅增加了受體單元的拉電子能力，還提升了分子內D-A相互作用，最終實現了LUMO能級的降低與窄帶隙的精準調控。其中基于3T2DPP的聚合物在柔性有機場效應晶體管（OFETs）中展現出優異的雙極性半導體性能和良好的耐彎折特性，為柔性電子材料的設計提供了新思路。

這項研究成果發表于J. Am. Chem. Soc（DOI:10.1021/jacs.5c03046）。博士研究生黃博倫和陳品宇為論文第一作者，劉子桐教授為通訊作者。該工作得到了蘭州大學張浩力教授、邵向鋒教授，及南方科技大學何鳳教授的幫助。該工作得到了國家自然科學基金面上項目及蘭州大學天然產物化學全國重點實驗室、化學化工學院的大力支持。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c03046

來源：蘭大化學