给-受体共轭聚合物具有结构易修饰、可溶液加工以及优异的载流子传输特性，使其在便携质轻的柔性有机电子器件中具有巨大的应用潜力。其中，双极性给-受体共轭聚合物半导体材料可以同时传输空穴（P型）和电子（N型）。因此，人们仅使用一种双极性给-受体共轭聚合物半导体材料，即可代替传统需要两种材料（P型和N型）才能构筑的互补逻辑电路，这极大简化了加工过程。近些年来研究人员开发了许多给-受体双极性共轭聚合物材料。其中，吡咯并吡咯二酮（DPP）类给-受体聚合物是一类广泛研究的半导体材料。但是，DPP类共轭聚合物的LUMO能级主要位于‒3.2~3.7 eV,与金电极的功函（WF = ~5.1 eV）不匹配，导致电子注入的势垒较大，不利于电子传输。因此大多数DPP类聚合物表现为单一的P型传输。最近，中国科学院化学研究所的张德清课题组将DPP核位的一个氮原子与侧基噻吩通过双键相连，另一个氮原子接入长支化烷基链，获得了“一半是刚性，一半是柔性”的新受体单元：半稠合DPP。他们进一步将该单元与3，4-二氟噻吩共聚，得到给-受体聚合物PTFDFT，同时也制备了聚合物PDPPFT作为对比（图1）。一方面，半稠合DPP的高度平面性提升了整个高分子骨架的刚性和平面性，促进电荷载流子在链内传输; 另一方面，半稠合DPP仅一端含有烷基链，在保证聚合物溶液加工能力的同时，有效减少了聚合物链间位阻，进而对聚合物的能级及分子间相互作用产生影响，促进电荷载流子在链间传输。图1. PTFDFT和PDPPFT的设计原理及化学结构式如图2所示，相比于PDPPFT，PTFDFT溶液和薄膜的吸收光谱发生明显的红移，结合电化学测试和理论计算表明PTFDFT具有较低的LUMO能级和较窄的带隙，即PTFDFT具有更好的平面性。同时，他们利用GIWAXS表明PTFDFT具有更紧密的堆积，π-π堆积距离仅为3.49Å，并且在基底上主要呈现edge-on堆积模式（堆积占比92.5%），而PDPPFT则以face-on和edge-on共存的方式进行堆积（图3）。场效应器件测试结果表明：PTFDFT具有更加优异的双极性传输性能，其空气氛围中电子和空穴传输速率分别达到2.23和1.08 cm2V-1s-1。此外，基于该材料的反相器的增益值达到141。
图2. PTFDFT和PDPPFT的溶液/薄膜吸收光谱该研究证明：半稠合DPP是一类具有巨大潜力的新型受体单元，为高性能多功能共轭聚合物的构筑提供新模块。该研究的第一作者为中国科学院化学研究所博士生史丹丹，通讯作者为中国科学院化学研究所张德清研究员和刘子桐副研究员。http://dqzhang.iccas.ac.cn/Shi, D.; Liu, Z.; Ma, J.; Zhao, Z.; Tan, L.; Lin, G.;Tian, J.; Zhang, X.; Zhang, G.; Zhang, D. Half-Fused Diketopyrrolopyrrole-Based Conjugated Donor–Acceptor Polymer for Ambipolar Field-Effect Transistors, Advanced Functional Materials, DOI:10.1002/adfm.20190235.
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