Angew. Chem. ：功能化菲酰亚胺基n型聚合物半导体材料在薄膜晶体管中的应用

聚合物半导体具有质轻、柔性和可溶液加工等优点，受到了广泛关注。但与p型聚合物半导体材料相比，目前n型聚合物半导体材料的发展相对滞后，其中强缺电子基元的种类相对匮乏是主要原因之一。因此开发新型的缺电子基元具有重要意义，有利于促进n型聚合物半导体发展以及相应电子器件的应用。

图 1. （a）功能化菲酰亚胺基受体基元的设计思路；（b）基于理论计算的LUMO能级。

近日，南方科技大学郭旭岗教授课题组和海南大学材料学院陈志才副教授合作，采用菲稠环基元（PhA）为核心，通过酰亚胺基，羰基或氰基双功能化的策略，设计、合成了新型的受体基元CPOI和CPCNI，其设计策略如图1所示。与传统的单酰亚胺功能化的受体基元相比，进一步羰基或氰基功能化，可以实现更强的拉电子能力，其中 CPCNI的理论计算LUMO能级深至-3.52 eV，缺电子性能力强于经典的强受体结构基元NDI（-3.41 eV）和PDI（-3.46 eV）。电化学测试结果进一步证明了上述结论，CPCNI的实验测试LUMO能级可以深至-3.84 eV。

图 2. （a）DIPCPOI和（b）DIPCPCNI的单晶结构和堆积模式。

为研究两种受体基元分子骨架的几何构型，作者成功培养并解析了它们的衍生物DIPCPOI和DIPCPCNI的单晶结构。如图2所示，两种受体基元的分子骨架都表现出了高度的平面性，相邻分子之间也堆积紧密，这有利于提高相应聚合物半导体材料主链的平面性。

图 3. 功能化菲酰亚胺基n型高分子半导体的合成路线。

基于上述受体构建基元优异的溶解性、高度的平面性和强的缺电子性，作者将它们应用于了n型聚合物半导体的开发，合成了 PCPOI-Tz和PCPCNI-Tz（图3）。得益于酰亚胺基、氰基的协同拉电子效应，PCPCNI-Tz的LUMO能级可以深至-3.83 eV，在有机场效应晶体管中表现出n型传输性能，迁移率为0.014 cm² V^-1 s^-1；值得注意的是，得益于其较深的LUMO能级，晶体管器件的阈值电压可以低至19 V。

该工作中，郭旭岗教授和陈志才副教授等通过酰亚胺基结合羰基或氰基双功能化菲基元的策略，构筑了两种具有优异溶解性、高度平面性和强缺电子性的受体构筑基元CPOI和CPCNI，并基于它们开发了新型的n型聚合物半导体材料。该工作不仅丰富了强受体基元的种类，也提供了“双功能化”稠环基元开发新型强受体基元的设计策略，为后续工作提供了可借鉴的重要经验。

论文信息

Functionalized Phenanthrene Imide-Based Polymers for n-Type Organic Thin-Film Transistors

Jie Yang, Dr. Jianfeng Li, Xiage Zhang, Wanli Yang, Sang Young Jeong, Enmin Huang, Dr. Bin Liu, Prof. Han Young Woo, Dr. Zhicai Chen and Prof. Xugang Guo

文章第一作者是南方科技大学博士研究生杨杰和高级研究学者李建锋。通讯作者为南方科技大学郭旭岗教授和海南大学陈志才副教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202319627