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DA型聚合物半导体

/D-A type polymer semiconductor/
条目作者赖文勇

赖文勇

最后更新 2024-07-02
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分子主链中同时含有电子给体(donor)和电子受体(acceptor)单元的聚合物半导体材料。又称PN型聚合物半导体、PN结构聚合物半导体。

英文名称
D-A type polymer semiconductor
又称
PN型聚合物半导体、PN结构聚合物半导体
所属学科
化学

电子给体单元和受体单元通过共价键连接形成交替或者无规聚合物结构,分子内给体和受体之间形成分子内电荷转移。通过调节给体单元类型、受体单体类型、给受体单元的比例、聚合物主链的长度、侧链种类等实现聚合物半导体性能的调控。

1998年,黄维提出在同一共轭聚合物中利用交替的电子给体和电子受体设计合成聚合物半导体的理念。经过多年的发展,DA型共轭聚合物的设计理念被广泛地运用于有机聚合物半导体材料的设计中,成为有机聚合物半导体材料研究和应用的热点。

在DA型聚合物半导体中,一般给体和受体单元都是大共轭稠环芳香体系,分子链之间的π-π作用比较强,从而分子可以有序堆积,使得聚合物具有高度的共轭性、能隙可控和优异的光电特性等优势。在DA型聚合物半导体中,常见的电子给体单元主要有硒吩、噻吩、呋喃及其衍生物,性能较好的电子受体单元有异靛蓝、1,4-二氧并二吡咯、苯并噻唑、噻吩异靛蓝、苯并噻二唑等。DA型聚合物内部给受体单元通过共价键连接形成无规或交替共聚物,聚合物内电子给受体能够产生电子的推拉效应,这有利于分子内电荷的转移,可以延长共轭聚合物主链的有效共轭长度。因此,一般DA型聚合物具有较高的载流子传输能力。由分子轨道理论可知,聚合物的最高已占分子轨道(HOMO)能级由电子给体和电子受体两个基本单元的HOMO能级重新组合得到,这使得聚合物的HOMO能级高于电子给体的HOMO能级。同理,对应聚合物的最低未占分子轨道(LUMO)能级由电子受体和电子给体的LUMO能级组合得到,因此,聚合物的LUMO能级也低于电子受体的LUMO能级。所以,DA型聚合物半导体的带隙小于其中任何一个单一组成单元的带隙。通过这种电子给受体之间的推拉电子效应可对聚合物半导体材料的带隙进行有目的的调控,并且通过改变给受体单元的类型实现聚合物半导体材料光谱和堆积方式的有效调控,最终获得光电性能优异的聚合物半导体材料。

DA型聚合物作为一种合成简单、可溶液加工的半导体材料,被广泛用于制备低成本、大面积的有机聚合物发光二极管、有机聚合物太阳能电池、有机聚合物场效应晶体管、有机聚合物存储器和有机聚合物激光器等。

①有机聚合物发光二极管。通过调节DA型聚合物半导体中给体单元的给电子能力、受体单元的吸电子能力和给受体单元比例,可以实现聚合物半导体材料发光光谱实现红、绿、蓝三基色发光,从而开发出高纯度、高效率和高稳定性有机聚合物发光半导体材料。

②有机聚合物太阳能电池。异质结有机聚合物太阳能电池活性层主要包括有机聚合物给体材料和有机聚合物受体材料。该类材料都是DA型聚合物半导体。DA型聚合物半导体材料通过给受体类型的选择和聚合度的大小实现聚合物半导体能隙的调控、吸收光谱范围的调控和载流子传输性能的调控,从而实现有机聚合物太阳能电池活性材料中激子有效的分离和传输,提高光电转换效率。

③有机聚合物场效应晶体管。DA型聚合物半导体可以实现空穴和电子的有效传输,其中主要传输空穴的聚合物半导体称为P型聚合物半导体,而主要传输电子的聚合物半导体称为N型聚合物半导体,同时传输空穴和电子的聚合物半导体称为双极性聚合物半导体。三类聚合物半导体材料可以制备不同类型的有机聚合物场效应晶体管,从而为发展多功能的有机聚合物场效应晶体管提供材料基础。

此外,DA型聚合物半导体还在液晶、生物检测、疾病诊断治疗、分析化学等许多方面有着广泛的应用。

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