最近，南方科技大學材料科學與工程系郭旭崗副教授課題組 在單極性n-型有機薄膜晶體管方向取得重要進展，該成果在材料領域頂級期刊《先進材料》(Advanced Materials, Impact Factor 19.791)在線發表，論文題目為“Thiazole Imide-Based All-Acceptor Homopolymer: Achieving High-Performance Unipolar Electron Transport in Organic Thin-Film Transistors”。
高性能n-型有機半導體材料對於有機電子領域的發展不可或缺，其中n-型聚合物材料大多采用給體-受體（donor-acceptor）結構。基於給體-受體聚合物的有機薄膜晶體管電子遷移率較高，但普遍表現出雙極性特徵並帶來器件關電流偏大（>10−8A）和電流開關比偏低（<105）的問題。其根本原因在於給體-受體材料中富電子給體單元的存在使得聚合物前沿軌道能級較淺並且帶隙偏窄，電子和空穴都較容易注入因而器件不能正常關閉。為了有效抑制空穴注入，全受體（all-acceptor）結構是較為理想的解決方案，其在實現單極性n-型有機薄膜晶體管方面有顯著優勢。由於大體積缺電子受體單元帶來的空間位阻問題和合成上的挑戰，全受體聚合物的發展相對滯後並且晶體管電子遷移率較低，一般在0.1 cm2 V-1s-1以下。研發具有更優結構的新穎缺電子受體單元對於n-型全受體聚合物的性能提升至關重要。
圖1. （a）全受體類型均聚物PDTzTI的化學結構，以及單體的單晶結構；(b)有機薄膜晶體管器件結構和性能曲線。
在該論文中，郭旭崗副教授課題組設計併成功合成了兩種新型噻唑酰亞胺缺電子受體單元,並在其基礎上得到全受體類型均聚物PDTzTI（圖1a）。單晶XRD分析表明，DTzTI單體中存在S…N非共價鍵相互作用因而平面性較好，單體間的π堆積也非常緊密，非常適合構建全受體聚合物。噻唑酰亞胺的強拉電子能力也使得聚合物的前沿軌道能級較低，有利於晶體管中電子注入並提升器件穩定性，同時抑制空穴注入和降低器件關電流。基於PDTzTI的有機薄膜晶體管器件表現出優異的單極性n-型輸運性能（圖1b）。晶體管電子遷移率達到1.6 cm2 V-1 s-1，關電流僅為10−10-10−11A，因而電流開關比高達107-108。該遷移率是全受體均聚物材料中的最高紀錄，同時在晶體管關電流和開關比性能上顯著優於常見給體-受體共聚物材料，表明全受體結構是實現單極性n-型聚合物材料的有效途徑,為新型受體單元和單極性n-型材料的設計提供重要參考依據。
郭旭崗課題組實驗員史永強和研究助理教授郭晗博士 為論文的共同第一作者，本科生王雨倫（現美國石溪大學博士生）完成理論計算，香港中文大學路新慧教授實驗室對材料進行同步輻射表徵。該項研究得到了國家自然科學基金、深圳市孔雀團隊、深圳市重點實驗室等項目支持。
論文鏈接：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201705745/full
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