Chem综述：高性能n型聚合物半导体：应用、最新进展和挑战

Nanoyu

2020-06-12

n型有机半导体是几种有机光电子器件所必需的，因为p-n结、互补的金属氧化物半导体电路和电子传输中间层在这些器件中无处不在。为此，人们发明了大量的n型有机半导体，包括基于小分子和聚合物的有机半导体，每一种都有其优缺点。与小分子相比，聚合物可以提供成膜性能更好的配方，更好的形态稳健性，以及更好的机械柔韧性和延伸性的薄膜和器件。此外，由于相应的溶液具有更广泛的流变特性，聚合物更容易采用基于溶液的加工技术，因此可以实现高通量、高性价比的大面积器件制造。这些特点可以推动新的电子产品的发展，如柔性和可伸缩显示器、可穿戴电子产品和一次性传感器。因此，开发高性能的n型聚合物对推动有机电子领域起着至关重要的作用。其关键在于开发具有优异的增溶性能、良好的几何构型和优化的电子结构的高度缺电子(杂)芳烃结构单元。

有鉴于此，基于用于设计关键缺电子结构单元的关键吸电子基团（EWGs）单元，特别是酰亚胺，酰胺，B←N单元和CN组，南方科技大学郭旭岗教授，美国西北大学Antonio Facchetti总结了最重要的和最新开发的电子传输聚合物及其在各种器件中的n型性能。此外，还提供有关其设计和综合策略面临的挑战和机遇的见解。除了以上四类以外，其他一些结构上新颖的电子不足的构建基块，例如噻吩喹啉，9,10噻二唑并苯并三唑11和噻二唑并喹喔啉12也可以使n型传输聚合物。然而，由于它们相对较弱的吸电子能力，相应的聚合物显示出有限的n型性能或相当大的双极性特性。

文章要点

1）作者简要总结了讨论的器件的基本结构、关键性能参数的定义以及用于根据实验数据计算这些参数的基本方程。

2）作者总结了酰亚胺功能化n型聚合物，酰胺功能化n型聚合物，B←N嵌合聚合物和氰基功能化聚合物四种关键高性能n型聚合物。

3）在材料多样性和相应的器件性能方面，n型聚合物的开发都取得了显著的进展。然而，与p型(空穴传输)类似物相比，n型聚合物仍然表现出很大的结构多样性和性能差距。作者认为进一步的研究进展将主要由两个途径推动：(1)设计新的高度缺乏电子的构建块；(2)合成主链上增加受体单元负载的聚合物，以改善相对于竞争性p型的n型特性。此外，侧链结构、给体共单元上的官能团以及聚合物重复单元的对称性也起着重要作用。此外，由于与其它电子材料一样，也取决于特定的应用，并且对于相同类型的器件，取决于器件的结构。因此，提供一套用于开发n型聚合物的严格且通用的指南是具有挑战性且不可预期。

4）作者展望高性能的n型聚合物应该具有以下理想的特性：可广泛调节的FMO（特别是最低空分子轨道（LUMO））能级、高电子迁移率、方便的合成手段、在关键设备界面有效地注入和收集电子的能力、以及在材料加工和设备操作条件下的强大稳定性。因此，设计和开发n型聚合物仍然是有机电子领域最重要的研究课题之一。

Huiliang Sun, et al, High-Performance n-Type Polymer Semiconductors: Applications, Recent Development, and Challenges, Chem, 2020

DOI：10.1016/j.chempr.2020.05.012.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929420302357