哒嗪并吡咯二酮共轭聚合物半导体材料的合成及晶体管性能

采用Stille交叉偶联反应,合成了基于6-烷基吡咯[3,4-d]哒嗪-5,7-二酮(PPD)与吡咯并吡咯二酮(DPP)结构单元的受体-π-受体(A_1-π-A_2)型共轭聚合物(PPPD-DPP)。采用热重分析仪、紫外分光光度计、电化学工作站等表征了聚合物PPPD-DPP的性能,系统地研究了聚合物的热性能、光物理性能、电化学性能及晶体管性能。结果表明:聚合物PPPD-DPP具有良好的热稳定性,热分解温度达到376℃;薄膜的最大吸收峰位于702nm,光学能带隙为1.27eV;有较低的最高占据分子轨道能级(HOMO,-5.23eV)。基于PPPD-DPP的有机薄膜晶体管(OTFTs)器件在真空中显示出双极性传输特性,最高电子和空穴迁移率分别为0.030 cm~2/(V·s)和0.054cm~2/(V·s),在空气中PPPD-DPP器件则表现出明显的p型传输特性,空穴迁移率提升至0.121cm~2/(V·s)。     

侧链含自由基单元的1,4-吡咯并吡咯二酮共轭聚合物的合成和半导体性质研究

合成了两个侧链含有2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基单元(TEMPO)的1,4-吡咯并吡咯二酮(DPP)共轭聚合物PDPP4T-1和PDPP4T-2,并开展了其半导体性质研究。薄膜场效应晶体管器件测试结果显示,相对于不含TEMPO的聚合物PDPP4T,PDPP4T-1和PDPP4T-2的场效应器件性能有所降低,不过,含TEMPO的聚合物器件性能最高仍达到了2.12cm~2·V~(-1)·s~(-1)。进一步通过原子力显微镜和X射线衍射对TEMPO引入后导致性能降低的可能原因进行了研究。     

窄带隙二噻吩并吡咯共聚物合成与光伏性能研究

二噻吩[3,2-b:2′,3′-d]并吡咯(Dithieno[3,2-b:2′,3′-d]pyrrole,DTP)分别与3种受体单元聚合得到聚合物P1~P3,受体单元分别为:吡咯并吡咯二酮(DPP)、二噻吩苯并噁二唑(DTBO)和喹喔啉衍生物(TQ).研究表明,3种聚合物都有较窄的带隙(P1:1.23 e V,P2:1.51 e V,P3:1.50 e V),有利于活性层材料对太阳光的吸收,其中P1获得了最宽的吸收(近1000 nm).将P1~P3与PC71BM共混制备光伏器件,当给受体比例为1∶3时,基于P1的光伏器件短路电流密度(short-circuit current density,JSC)为15.82 m A/cm~2,开路电压(open-circuit voltage,VOC)为0.38 V,能量转化效率(power conversion efficiency,PCE)达到3.33%,为3种聚合物中最高的效率.对于聚合物P2和P3,在给受体比例为1∶2时,光伏性能最好,此时P2与P3的PCE值分别为1.20%和1.37%,导致较低光电转换效率的因素是短路电流密度JSC(P2:9.70 m A/cm~2,P3:9.21 m A/cm~2)和开路电压VOC(约0.3 V)过低.     

1,4-二酮吡咯并吡咯在聚合物太阳能电池的应用

1,4-二酮吡咯并吡咯(DPP)由于具有优异的共平面性和强烈的拉电子能力,从而被引入D-A型窄带隙共轭聚合物中调控聚合物材料的能隙和能级结构,拓宽在可见光区域的响应范围。近年来,DPP类聚合物太阳能电池材料的研究受到广泛关注,目前基于DPP的聚合物太阳能电池效率高已达9.64%。本文探讨了以DPP作为受体单元而噻吩衍生物、芴、咔唑和苯并二噻吩等作为给体单元制成的D-A型窄带隙共轭聚合物太阳能电池的研究进展,并探讨了聚合物材料结构与太阳能电池性能之间的内在构效关系。     

基于吡咯并吡咯二酮和苯并噻二唑聚合物的合成及其近红外电致变色性能

给-受体型窄带隙聚合物是一类新型可见-近红外电致变色材料,虽然可调性强、颜色丰富,但是其电致变色性能如对比度、稳定性等需要进一步提高。 通过调节聚合物中构筑单元吡咯并吡咯二酮(DPP)、苯并噻二唑(BTZ)和噻吩(T)的比例(n(DPP):n(BTZ):n(T)分别为1:0:1、1.5:0.5:1、2:1:1和3:2:1),合成了4种新型窄带隙电致变色聚合物,研究聚合物结构和电致变色性能的关系。 研究发现,这类聚合物在近红外光谱区具有较高的对比度(ΔT:50%60%)和变色效率(CE:300600 cm²/C),尤其是在1550 nm处,聚合物P3的ΔT高达63%、P4的CE高达471 cm²/C。 相比之下,含有BTZ基团的聚合物的吸收更长、对比度更高且更稳定。 这为设计给-受体型高性能电致变色聚合物提供了新的思路。     

新型共轭高分子聚[吡咯2,5-二(3-甲氧基-4-羟基苯甲烯)]的合成与表征

本文采用两步法合成了一种新型共轭高分子聚 [吡咯 2 ,5 二 (3 甲氧基 4 羟基苯甲烯 ) ],其前聚物聚 [吡咯 2 ,5 二 (3 甲氧基 4 羟基苯甲烷 ) ]可溶于一般的极性有机溶剂 .通过红外、核磁、紫外光谱分析鉴定了产物及其前聚物的结构 .利用DSC与TGA测试分析了所合成聚合物的热学性质 .紫外光谱表明在聚合物链中引入醌式吡咯环结构有利于降低产物的能隙 ,其能隙为 1 14eV ,属窄能隙类共轭聚合物 .经碘掺杂后产物的电导率在半导体的范围内     

新型含苯并二噻吩与苯并二吡咯酮基元的 D-A共聚物的合成及性质

采用苯并二吡咯酮作电子受体单元，在钯催化下，与不同取代基修饰的电子给体单元苯并二噻吩进行Stille偶联聚合反应，合成了两种新型的电子给受体（D-A）聚合物(P1和P2)，其结构和性能经UV-Vis, ¹H NMR, ¹³C NMR,元素分析，GPC, CV和TGA表征。结果表明：薄膜态P1和P2在300~800 nm表现出较强吸。P1和P2的低能端吸收峰值分别位于621 nm和616 nm。氧化峰分别位于0.41 V和0.46 V，能隙分别为1.41 eV和1.36 eV。     

苯/二联苯为桥的噻吩-吡咯-噻吩结构:分子构型及电致变色性质（英文）

合成了两种以苯或二联苯为桥键单元的噻吩-吡咯-噻吩衍生物(Ph SNS、BPh SNS),并通过电化学聚合形成具有交联结构的聚合物薄膜(p Ph SNS、p BPh SNS)。两种单体的循环伏安曲线表明,相比BPh SNS的一个氧化峰,Ph SNS表现出两个氧化峰,理论计算结果表明这可能主要是由于Ph SNS化合物中的两条噻吩-吡咯-噻吩具有不同的分子构型,其中一条噻吩-吡咯-噻吩中噻吩与吡咯单元的扭曲角为21.2°,另一条噻吩-吡咯-噻吩中噻吩与吡咯单元的扭曲角为40.2°,这使得Ph SNS的HOMO-1和HOMO表现出比较大的能隙(~0.4 e V),因而导致出现两个峰;BPh SNS结构中两条噻吩-吡咯-噻吩的分子构型相同,使得HOMO-1和HOMO很相似,因此其电化学只出现一个峰。然而,两个单体表现出相同的起始氧化还原电位,同时相应的聚合物表现出相似的氧化还原曲线,使得两种聚合物薄膜表现出相似的电致变色性质。光谱电化学表明,p Ph SNS和p BPh SNS表现出相似的光学吸收及相似的颜色变化(黄色-灰绿色-灰色);此外,p Ph SNS和p BPh SNS表现出快速的响应速度(1100 nm处分别为0.57和0.93 s),同时表现出合理的光学对比度(1100 nm处分别为46%和31%);这些研究将为关联分子构型与单体的电化学、聚合物的电致变色性质三者之间的关系提供一定的借鉴与帮助。     

吡咯并吡咯二酮类染料小分子在光催化制氢中的应用

本文选用染料小分子双(间氰基苯)-1,4-吡咯并吡咯二酮(DPP-CN)、双(对氯苯基)-1,4-吡咯并吡咯二酮(DPP-Cl)和双吡啶基-1,4-吡咯并吡咯二酮(DPP-PN)作为光催化剂用于光催化制氢,探究了这一类染料小分子结构的差异对其吸收光谱、能级、粒径、表面电荷以及光催化制氢性能的影响.研究发现,这一类小分子末端的取代基团能够显著影响其光催化性能.其中,取代基为间位氰基单元的小分子DPP-CN表现出最好的分散性、与助催化剂良好的界面接触,以及最好的光催化制氢性能.     

丙烯酸接枝邻苯二酚衍生物的二次聚合

合成了2种聚合前驱体邻苯二丙烯酸酯(o-PDA)和2-甲氧基苯丙烯酸酯(2-MOPA), 分别通过与丙烯酸(AA)自由基共聚得到邻苯二丙烯酸酯-丙烯酸共聚物(O1)和2-甲氧基苯丙烯酸酯-丙烯酸共聚物(O2). 产物邻苯二酚(o-DHB)-O1(质量比1∶1)和1-羟基-2-甲氧基苯(HMOB)-O2(质量比1∶1)分别在乙腈/二氯甲烷-三氟化硼乙醚体系中直接阳极氧化聚合获得交联网状共聚物P1和P2. P1和P2均可溶于DMSO, 而难溶于ACN, DCM和THF等有机溶剂. 通过UV-Vis, FTIR和 ¹H NMR对交联共聚物膜的结构进行了表征. AA的引入不仅可以增加链的柔韧性, 而且提高了共聚物的力学性能. 而o-DHB/ HMOB的引入极大地减弱了单体的聚合位阻, 实现了单体的二次聚合, 同时也增强了单体及聚合物的电化学活性. 荧光光谱显示, 得到的2种交联共聚物膜分别在415和487 nm处有较强的发射峰, 表明共聚物仍具有良好的蓝色发光性能, 且聚丙烯酸结构的引入并没有对聚邻苯二酚(Po-DHB)和聚(1-羟基-2-甲氧基苯)(PHMOB)产生较大的荧光猝灭作用. 热重分析曲线(TGA)表明2种交联共聚物膜均具有较高的热稳定性.     

硒吩聚合物/寡聚物有机光电材料研究进展

主要从光电性能角度总结了近几年硒吩聚合物/寡聚物在有机太阳能电池(OSCs)、场效应晶体管(FETs)、发光二级管(LED)等方面的研究进展。目前,基于聚硒吩并[3,4-b]硒吩-苯并二硒吩(PSeB2)(polyselenopheno[3,4-b]selenophene-co-benzodiselenophene)本体异质结太阳能电池器件的能量转化效率最高,达6.87%;场效应晶体管方面,基于PSeDPP(P28)器件的空穴迁移率最高达1.62cm2.V-1.s-1。基于PFO-DDSTQ(一种硒吩芴基聚合物)的发光二级管,表现出目前基于硒吩化合物的最长波长发光器件,EL光谱峰值约860nm。通过对研究者的研究成果的总结发现,在有机光电器件的应用领域中硒吩聚合物/寡聚物是一种极具应用前景的材料。     

含五苯基吡咯侧基聚丙烯酸酯的制备及其聚集诱导发光增强性能

设计合成了具有聚集诱导发光增强活性(AEE)的含五苯基吡咯的甲基丙烯酸酯单体M-PPP,并通过自由基聚合制备了系列均聚物及不同五苯基吡咯侧基含量的聚甲基丙烯酸酯共聚物.所制备的均聚物P与共聚物CP在THF/H_2O体系中均具有AEE特性,在水含量大于20%时荧光开始增加,大于80%时荧光快速增加,95%时相对荧光强度达到最大;单体M-PPP则在水含量低于70%时荧光强度略有降低,随后迅速增加,95%后荧光强度下降.五苯基吡咯侧基含量较高的共聚物表现出更好的AEE特性.进一步的研究发现,共聚物CP在THF/H_2O混合溶液中能够对赖氨酸产生荧光点亮型响应.     

双-[2-吡咯(乙氧基)]乙烷的合成及其电化学聚合

以吡咯和二缩三乙二醇为原料合成了N取代吡咯衍生物单体--双-[2-吡咯(乙氧基)]乙烷,并用循环扫描伏安技术研究了该单体的电化学聚合过程.结果表明:在乙腈/高氯酸锂溶液中,双-[2-吡咯(乙氧基)]乙烷在铟锡氧化物导电玻璃(ITO)、Pt、Au、玻璃碳、石墨电极上均能顺利发生反应,形成一定厚度的聚合物膜.但聚合速率、膜的结构、膜的颜色有差异.溶剂水对聚合有明显影响.形成的聚合膜具有良好的电化学稳定性.     

含噻吩[2,3-b]并噻吩-吡咯[3,4-c]并吡咯二酮结构单元聚合物的合成及其在太阳能电池中的应用研究

设计并合成了一种交叉共轭的(cross-conjugated)缺电子型聚合物单体——二溴代噻吩[2,3-b]并噻吩-吡咯[3,4-c]并吡咯(DPPTTZ)二酮,并将其分别与噻吩(T)、硒吩(Se)和N-甲基吡咯(Py)的双锡试剂进行共聚反应,获得了一类新的供体-受体(D-A)型共轭聚合物光电材料.这类材料分子的最高占有轨道(HOMO)能级较低,因此其光电器件具有较高的开路电压(Voc),稳定性好.此外,它们在紫外-可见光区有较宽的吸收,最大吸收位于波长620 nm附近;能带隙(band gap)小,分别为1.86 e V(p DPPTTZ-T)、1.83 e V(p DPPTTZ-Se)和1.85 e V(p DPPTTZ-Py).器件初步测试结果表明,上述聚合物与PC71BM组成的本体异质结聚合物太阳能电池Voc在0.68~0.81 V之间,能量转化效率(PCE)最高达3.05%(p DPPTTZ-T).     

聚吡咯并[3,4-c]吡咯的电子结构及导电性研究

采用密度泛函(DFT)方法在6-31g(d)水平下研究了聚吡咯和聚吡咯并[3,4-c]吡咯, 以及它们的单体和低聚物的电子结构. 对中心键的键长、电荷密度以及Weberg键级的研究表明, 随着主链聚合度的增加, 其共轭性增强. 对聚合物还进行了能带结构和态密度分析. 结果发现, 在3位聚合的并环化合物具有最优的导电性能, 其能隙仅有0.25 eV, 可以作为潜在的导电聚合物材料.     

含1,4-二酮吡咯并吡咯和铂的共轭聚合物的场效应性质研究

本文介绍了一种含有1,4-二酮吡咯并吡咯和铂的金属有机共轭聚合物。通过紫外-可见吸收光谱及电化学测得该聚合物的LUMO和HOMO分别为-3.4e V和-5.3e V。通过旋涂方法制备了该材料的底栅底接触场效应器件,并在退火至160℃之后测得其最高性能为:空穴迁移率1.0×10-3cm2·V-1·s-1,开关比105,阈值电压-15V。同时,通过原子力显微镜和X射线衍射对材料薄膜的退火过程进行了研究。     

含Ullazine结构基元的共轭聚合物的合成及其光电性能研究

将Ullazine结构基元引入到聚合物主链或侧链中,分别与吡咯并吡咯二酮(DPP)、2,5-双(三甲基锡)噻吩共聚得到了二元共聚物PB和三元共聚物PT,分别利用凝胶渗透色谱和热重分析表征了聚合物的分子量和热稳定性,并研究了聚合物的光物理、电化学和光伏性能.基于共聚物PB和PT作为电子给体材料的聚合物太阳能电池器件测试结果表明,二元共聚物PB由于具有较低的能级水平从而获得较高开路电压,而侧链含Ullazine结构基元的三元共聚物PT具有更宽的吸收光谱和更高的空穴迁移率,获得了更高的短路电流和能量转换效率.     

聚(茚并芴-三苯胺)的合成及性能

设计并合成了一类新的可用于有机场效应晶体管(OFET)的聚合物半导体材料聚(茚并芴-三苯胺)(pIFTPA1~4), 通过核磁共振谱和凝胶渗透色谱等对聚合物进行了表征, 同时对其场效应薄膜晶体管性能进行了测试. 结果表明, 这些聚合物形成了无定形半导体膜, 在空气中稳定, 其载流子迁移率远高于聚三苯胺(pTPA)类材料, 其中pIFTPA1载流子迁移率高达4×10^-2 cm²/(V·s), 开关比为10⁶.     

从导电聚吡咯到共轭聚合物光伏材料——我在中科院化学所30年共轭高分子研究历程

本文简要回顾了本人在中科院化学所30年的研究历程,重点介绍了在共轭高分子(包括导电聚吡咯电化学、聚合物发光电化学池(LEC)和共轭聚合物给体光伏材料)方面的研究成果。在导电聚吡咯电化学方面,对导电聚吡咯的电化学制备和电化学性质进行了深入研究,阐明了各种电化学聚合条件对制备的导电聚吡咯电导和力学强度等的影响,发现电解液溶剂给电子性(Donor number)对吡咯电化学聚合制备的导电聚吡咯电导的影响:溶剂Donor number越小制备的导电聚吡咯电导越高;使用非离子表面活性剂添加剂在水溶液中制备出表面非常光滑和高力学强度的导电聚吡咯薄膜;对于吡咯电化学聚合提出了电解液阴离子参与的阳离子自由基聚合机理,并推到出吡咯电化学聚合反应的动力学方程;发现在NaNO3水溶液中电化学聚合制备的导电聚吡咯除存在主链氧化、对阴离子掺杂结构外,还存在质子酸掺杂结构;阐明了导电聚吡咯在水溶液中电化学还原和再氧化的机理及其电化学过程的可逆性和稳定性,以及导电聚吡咯在有机电解液中特殊的第一次还原和再氧化的机理。在LEC方面,通过交流阻抗法确认了LEC的电化学掺杂机理和p-i-n结构,合成了多种适用于LEC的主链带离子导电单元的兼具离子导电性的发光嵌段共聚物,避免了LEC活性层中存在的发光聚合物和离子导电聚合物的分相问题;使用离子液体作为电解质制备了室温准冷冻p-i-n结LEC,改善了LEC的电致发光性能。在共轭聚合物给体光伏材料方面,我们提出了通过共轭侧链来拓宽聚合物吸收和提高空穴迁移率的分子设计思想,设计和合成了一系列带共轭侧链的二维共轭聚噻吩衍生物以及基于二噻吩取代苯并二噻吩的窄带隙高效二维共轭聚合物给体光伏材料。我们使用烷硫基取代进一步降低了这类二维共轭聚合物的HOMO能级从而进一步提高了其光伏性能。最后介绍了本组二维共轭聚合物给体光伏材料在非富勒烯聚合物太阳能电池方面的最新研究进展。     

基于金属配位和主客体相互作用分级自组装构筑超分子凝胶

将金属配位和主客体相互作用引入到同1个超分子体系中,设计合成了2个超分子单体1和2.通过这2个超分子单体分级自组装形成的交联网状超分子聚合物构建了一种多重刺激响应性和良好自修复性能的超分子凝胶.同时,进一步将具有聚集诱导发光性能的四苯乙烯引入到这种超分子体系中,以赋予超分子体系新颖的发光性能.单体分子1是由中间为双苯并24-冠-8的冠醚连接2个四苯基乙烯荧光生色团,两端为2个三联吡啶分子构成的1个主体分子.单体分子1两端的三联吡啶基团可以与过渡金属Zn(OTf)2进行金属配位形成线型超分子聚合物3;而中间的冠醚基团与双二级铵盐客体分子2通过主客体相互作用进一步形成交联超分子聚合物4.当该交联超分子聚合物的浓度达到30 mmol/L时,可形成荧光超分子聚合物凝胶.通过核磁共振(1H-NMR和DOSY)与黏度等测试方法,证明了线形和交联超分子聚合物的形成,并进一步通过流变的测试证明了超分子聚合物凝胶的形成及其良好的自修复性能.除此之外,由于引入的主客体相互作用以及金属配位固有的刺激响应性,该荧光超分子聚合物凝胶表现出对温度、p H值、K+离子和竞争配体的刺激响应性能.