[发明专利]一种含醌式结构的聚合物半导体及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种含醌式结构的聚合物半导体及其制备和应用，结构通式如式(I)所示，制备方法为：将含醌式结构的单体与芳香单元进行共聚制得。本发明所制备的基于此类新型醌式结构的聚合物半导体材料对太阳光谱有较好的匹配，因此可以用作聚合物太阳电池的活性层。本发明所制备的基于此类新型醌式结构的聚合物半导体材料具有较高的载流子迁移能力，因此也可以用于制作聚合物场效应晶体管的活性层。

技术领域

本发明属于聚合物半导体材料及其制备和应用领域，特别涉及一种含醌式结构的聚合物半导体及其制备和应用。

背景技术

2000年诺贝尔化学奖被授予美国加利福尼亚大学的艾伦-J-黑格、美国宾夕法尼亚大学的艾伦-G-马克迪尔米德和日本筑波大学的白川英树，以表彰他们在发现导电聚合物的卓越贡献。与传统的金属相比，导电聚合物具有低成本、质量轻和容易加工等一系列优点引起了人们的广泛关注。随后，大量科研工作者致力于实现具有实际应用功能的导电聚合物(即聚合物金属)。但是，随着研究的深入与人们对共轭聚合物认识的逐步提高，制备聚合物金属成为了合成化学家不可触及的圣杯。共轭聚合物由于具有离域的π电子，因此容易获得荧光性。同时，共轭聚合物能够从太阳光中吸收光子，还能通过共轭分子主链的交叠进行跳跃式传输载流子。这些特性使得共轭聚合物在有机发光二极管(OLED)、聚合物太阳电池(PSCs)和有机场效应晶体管(OFET)等三方面展现出广阔的应用前景。纵观近几十年来共轭聚合物的发展，材料本身的载流子迁移能力对于实现高性能的OLED、PSCs和OFET这三类半导体器件至关重要。具有高度平面的共轭聚合物可以促进分子主链的堆砌，增大芳香单元的交叠程度，利于载流子在聚合物主链之间的跳跃式传输。通过文献调研发现，提高聚合物主链平面性有多种方法，比如引入具有大平面结构的芳香构筑单元(Cheng,Y.-J.；Yang,S.-H.；Hsu，C.-S.,Chem.Rev.2009,109,5868)，巧妙利用分子内弱的相互作用(Huang,H.；Yang,L.；Faccetti,A.；Marks,T.J.,Chem.Rev.,2017,117,10291)等等。相对于传统提高分子平面性的策略，在聚合物主链中引入醌式结构却很少被人重视。醌式结构通过双键与芳香单元链接，这可以显著抑制成键单元之间的自由旋转。但是，醌式结构与芳香结构之间的共振，极易形成高度活泼的自由基，这给化学设计并合成具有醌式结构的单体及其相应聚合物带来了极大的挑战。

近些年来，一些包含醌式结构单元的聚合物半导体，但是这些醌式结构具有合成路线长，(Liu,X.；He,B.；Anderson,C.L.；Kang,J.；Chen,T.；Chen,J.；Feng,S.；Zhang,L.；Kolaczkowski,M.A.；Teat,S.J.；Brady,M.A.；Zhu,C.；Wang,L.-W.；Chen,J.；Liu,Y.；J.Am.Chem.Soc.,2017,139,8355；Deng,Y.；Sun,B.；He,Y.；Quinn,J.；Guo,C.；Li,Y.,Angew.Chem.Int.Ed.,2016,55,3459；Kim,Y.；Hwang,H.；Kim,N.-K.；Hwang,K.；Park,J.-J.；Shin,G.-I.,Kim,D.-Y.,Adv.Mater.,2018,30,1706557；Ren,L.；Fan,H.；Huang,D.；Yuang,D.；Di,C.-a.；Zhu,X.,Chem.Eur.J.,2016,22,17136.)已经被成功制备出来，这些半导体材料在聚合物太阳电池和有机场效应晶体管中均取得了不俗的器件性能。但是，通过引入氮原子和原子稳定的相应醌式结构的合成路线较长，成本较高。Kim，D.-Y.等通过在异靛蓝中插入具有醌式结构的噻吩，但是相应的结构还存在不够稳定、提纯较为繁复等缺点。Li，Y.等通过氧化连噻吩的醌式结构可以得到稳定的聚合单体，但是，氧原子的引入会在一定程度上破坏分子主链的平面性。

发明内容