n-型聚合物半导体是逻辑互补型有机电子器件的基本组成部分，在有机场效应晶体管(OFETs)、有机热电器件、有机电化学晶体管以及有机太阳能电池等有机电子器件领域中具有广阔的应用前景。然而，目前n-型聚合物半导体在材料多样性和器件性能方面的发展远远落后p-型聚合物半导体。
为了实现快速稳定的电子传输，n-型聚合物需要拥有较深的最低未占分子轨道(LUMO)能级。为此，高度缺电子的芳香酰亚胺和芳香内酰胺被广泛地应用于构建高迁移率的n-型聚合物半导体。其中，作为芳香酰亚胺和芳香内酰胺受体的典型代表，萘酰二亚胺(NDI)、噻吩酰亚胺(BTI)、吡咯并吡咯二酮(DPP)和苯并二呋喃二酮(BDOPV)衍生物在构建高迁移率n-型聚合物方面备受关注。然而，由于NDI骨架上的羰基与芳烃间存在位阻效应，将芳烃衍生物与NDI直接共聚通常会导致聚合物链高度扭曲。大多数报道的DPP和BTI系列聚合物通常具有较高的HOMO/LUMO能级，难以实现单极性n-型传输。对于BDOPV分子体系，K2CO3碱性环境会诱导BDOPV及其共聚物中的内酯基团开环，导致不期望的化学降解。因此，寻求一种综合性能优异的受体分子体系对高迁移率n-型聚合物半导体及其有机电子器件的发展和应用至关重要。
近日，复旦大学赵岩青年研究员团队与湘潭大学陈华杰教授团队合作开发了一种新型高度可溶的梯状芳香二酮受体单元，即为3,8-双(2-癸基十四烷基)-5，10-二氟-s-引达省并[1,2-b:5,6-b’]二噻吩-4,9-二酮(FIDTO-R)，进一步与噻吩或硒吩给体单元共聚，得到了两种新型的D-A型共轭聚合物(PFIDTO-T和PFIDTO-Se)。研究发现，得益于FIDTO-R的高度缺电子特征以及平面π-拓宽的共轭骨架，新开发的聚合物获得了低的LUMO能级(< −3.81 eV)、强的链间组装能力以及紧密的π-π堆积距离(~3.57 Å)。PFIDTO-T和PFIDTO-Se在柔性OFETs中都显示出优异的单极性n-型特性，其电子迁移率高达1.01 cm2 V–1 s–1，是目前已报道的梯状芳香二酮类n-型有机半导体的最高电子迁移率。为了评估它们在复杂有机电路中的应用潜力，研究团队进一步制备了有机柔性倒相器，获得了高达141的倒相器增益值。该研究表明，除了常见的芳香酰亚胺和芳香内酰胺受体(如NDI、DPP和BDOPV)外，二酮功能化的芳烃(如FIDTO-R及其类似的梯状芳香二酮受体)是一类综合性能优异的高迁移率n-型聚合物构建单元。通过对可溶性侧链、共聚物结构、分子量以及受体单元骨架进行系统的优化，有望进一步提高此类聚合物半导体的载流子传输性能。
图1. 含梯状芳香二酮受体(FIDTO-R)的D-A型聚合物PFIDTO-T和PFIDTO-Se的分子结构
图2. 本文所用的OFET器件结构图和两种聚合物典型的转移和输出曲线以及性能对比图
相关成果以《Ladder-Like Difluoroindacenodithiophene-4,9-dione Derivative: A New Acceptor System for High-Mobility n-Type Polymer Semiconductors》为题在线发表于《Advanced Functional Materials》期刊，湘潭大学化学学院硕士生陶欣和复旦大学材料科学系博士生李文豪为共同第一作者，湘潭大学化学院陈华杰教授和复旦大学材料科学系赵岩青年研究员为共同通讯作者。
https://doi.org/10.1002/adfm.202210846