平衡双极性有机高分子半导体是实现有机电路的重要材料。在本工作中，中科院化学所董焕丽研究员团队及其合作者发展了一种新型不对称噻吩/吡啶侧翼的吡咯并吡咯二酮共聚物半导体材料（PPyTDPP-2FBT）。得益于PPyTDPP-2FBT合理的能级分布和分子共轭结构，基于该材料的有机场效应晶体管器件展现了典型的V-型平衡双极性传输特性。作者利用该材料进一步实现了高性能单组份有机反相器和倍频器的构建。其良好的可溶液加工性和批次重复性表明，PPyTDPP-2FBT及其相关拓展共轭分子材料在大面积、低成本柔性有机集成电路方面具有潜在应用价值。平衡双极性共轭高分子半导体是实现低成本、大面积、简单制备的有机数字和模拟电路的重要材料。近年来，尽管共轭高分子半导体材料获得了快速发展，但是兼具良好可溶液加工性和批次重复性的平衡双极性共轭高分子材料仍比较少，这在一定程度上限制了低成本柔性有机集成电路领域的研究。中科院化学所董焕丽研究员团队及其合作者，在前期工作基础上进一步发展了一种新型不对称噻吩/吡啶侧翼的吡咯并吡咯二酮共聚物半导体材料PPyTDPP-2FBT（图1），作者通过引入F原子可以与噻吩上的S原子形成F---S构象锁，不仅有效拉低了聚合物分子的LUMO能级，也提升了分子的共轭骨架平面性，设计合成的PPyTDPP-2FBT共聚物表现出典型的V形的双极性场效应转移特性。
图1. 聚合物半导体材料的PPyTDPP-2FBT结构设计和其材料特性
作者采用了顶栅底接触（TGBC）的器件结构（图2a），在柔性的PET基底上构筑了其薄膜场效应晶体管(图2b)，研究表明，该材料展现了优异的平衡双极性传输特性（图2c-f），同时具有良好的可溶液加工性和批次重现性(图2g)。
图2. (a) 器件构型、(b) 柔性展示、(c) 转移曲线、(d) 输出曲线、(e、f) 电子和空穴迁移率统计分布、(g) 批次重现性。
进一步地，基于PPyTDPP-2FBT共聚物的薄膜OFET，作者成功构建了反相器和倍频器等有机数字电路和模拟电路（图3），由于PPyTDPP-2FBT良好的平衡传输特性，反相器具有133的高增益值。同时，倍频器成功对10Hz的正弦信号转化且不失真，这也是首次实现了基于单组份的双极性聚合物的倍频器。此外，基于PPyTDPP-2FBT的器件还表现出良好的稳定性和批次可重复性，表明其在有机集成电路中具有很大的应用潜力。
图3. (a) 有机反相器电路、(b) 噪声容限、(c) 增益和漏电流、(d) 倍频器电路、(e) 5个循环后的转移曲线（f) 10个循环后的倍频信号输出。
论文第一作者为中科院化学所博士生杨佳鑫，通讯作者为董焕丽研究员。 详见：Yang J, Liu Q, Hu M, Ding S, Liu J, Wang Y, Liu D, Gao H, Hu W, Dong H. Well-balanced ambipolar diketopyrrolopyrrole-based copolymers for OFETs, inverters and frequency doublers. Sci. China Chem., 2021, 64, DOI:10.1007/s11426-021-1037-3.
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通讯作者简介
董焕丽，中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。国家杰出青年科学基金和中组部万人计划青年拔尖人才项目获得者，先后获得中国化学会青年化学奖、国家自然科学二等奖(5/5)等奖励和荣誉。在有机高分子光电功能材料与器件方面开展了系统和具有特色的研究，目前在Nat. Chem., Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev. 等上发表论文200余篇，被SCI引用7500余次。
