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青岛能源所在噻唑异靛蓝的合成和聚合方面取得突破
2018-04-27   青岛生物能源与过程研究所 【

  有机场效应晶体管因其在柔性集成电路、显示器和传感器等电子器件中的应用前景而受到科学界的广泛关注。开发性能优异的既能传导电子又能传导空穴的双极型共轭聚合物材料对于构筑逻辑电路有着重要的意义。异靛蓝(Isoindigo)是构筑此类材料的重要结构单元,而其结构的改造对相应有机场效应晶体管材料的性能影响显著,一直是近年来相关的研究的热点。

  目前国际上通过对异靛蓝结构的改造得到了两种重要的场效应晶体管材料构筑单元:噻吩异靛蓝(Thienoisoindigo)和吡啶异靛蓝(Diazaisoindigo)。噻吩异靛蓝适合于构筑传导空穴的p-型场效应晶体管,但由于其易形成醌式结构,可在近红外区形成强烈吸收,又适合于构筑近红外光检测器和光声成像剂;而吡啶异靛蓝拉电子能力更强,适合于构筑双极型场效应晶体管,但其不易形成醌式结构,难以构筑红外响应材料。是否能合成兼具二者优点的新的异靛蓝衍生物是一个有趣的科学问题,而噻唑异靛蓝(Thiazoloisoindigo, TzII)是一个可能的解决方案。尽管国际上对噻唑异靛蓝的合成早有探索,但由于其合成难度过高一直没能实现。

1. 结合噻吩异靛蓝和吡啶异靛蓝优点的噻唑异靛蓝

   近日,青岛能源所万晓波研究员带领的柔性光电材料与器件研究组在以往异靛蓝改造系列成果(噻吩并异靛蓝Tetrahedron Lett., 2014, 55, 1040Polym.Chem., 2016, 7, 235; RSC Advances 2017, 7, 25009、苯并噻吩并异靛蓝和苯并呋喃并异靛蓝RSC Adv., 2015, 5, 8340、氢化苯并吡嗪异靛蓝Eur. J. Org.Chem.,2016, 2603.)的基础上,展开了噻唑异靛蓝的合成研究。他们另辟蹊径,巧妙地绕过了传统的酸性合环方案,而采用了大位阻碱促进的亲核关环反应,成功地合成了噻唑异靛蓝的前体——噻唑靛红,并进一步合成了噻唑异靛蓝(Org.Chem. Front., 2018, 5, 442.)。他们进一步优化合成和聚合路线,成功地合成了噻唑异靛蓝与三聚噻吩的聚合物P(TzII-TTT),并对其光物理性能和场效应晶体管性能进行了研究。结果表明,噻唑异靛蓝的确兼具噻吩异靛蓝和吡啶异靛蓝的优点:它不仅类似于噻吩异靛蓝,易于形成醌式结构,从而导致吸收光谱的强烈红移,也类似于吡啶异靛蓝,具有较强的拉电子能力,适合于构筑双极型场效应晶体管材料。P(TzII-TTT)的双极型场效应晶体管空穴迁移率为3.93 cm2V-1S-1, 电子迁移率为1.07 cm2V-1S-1,性能超过了具有类似结构的吡啶异靛蓝聚合物。在兰铮岗研究员的协助下,他们对几种异靛蓝衍生物醌式结构形成的难易程度进行了研究,理论计算结果验证了所观察到的实验现象。相关工作发表在近期的Chem. Eur. J.上。

  噻唑异靛蓝的成功合成和其性能的初步探索表明其可望成为更有潜质的场效应晶体管材料以及近红外光响应材料的构筑单元,相关的科学研究值得进一步探索。(文/万晓波  图/王啸)

  相关成果发表:

  1. 噻唑异靛蓝的合成研究:

  http://dx.doi.org/10.1039/C7QO00841D

  2. 噻唑异靛蓝聚合物的合成及性能研究:

  Thiazoloisoindigo: a building block that merges the merits of thienoisoindigo and diazaisoindigo for conjugated polymers. Chemistry a European Journal, 2018, DOI: 10.1002/ chem.201801432.

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/chem.201801432

  

 
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