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π-共轭聚合物作为有机电子学中一类重要的材料,因其具有成本低、重量轻、易于合成以及能制备成大面积柔性器件等突出优点,在有机发光二极管、有机太阳能电池、有机场效应晶体管、有机传感器等方面显示了重要的应用前景。 共轭聚合物材料聚集态结构的调控一直是本领域的一大挑战,它们的结晶过程与小分子和传统的“软聚合物”(例如,聚乙烯等),有着显著的不同。共轭聚合物中因为聚合物的分子链很长,链段之间容易相互贯穿缠结而且聚合物链存在多重的构象变化,共轭聚合物如果要形成有序的状态就需要跨过很多、很大的自由能势垒,而且聚合物链间各种原子间的相互作用力复杂,难以在溶液或熔融态下自组装形成高结晶度的纳米结构。但有机半导体材料堆积时的有序性是影响器件性能的关键因素,因此为了使载流子在半导体层中的迁移率最大化,优化聚合物半导体的聚集态结构使电荷在其中没有阻碍的传输是关键因素。对共轭聚合物晶态材料光电性质的研究也有利于我们进一步解析共轭聚合物体系中化学结构、分子堆积和载流子输运之间的关系,进而指导新型共轭聚合物材料的设计和合成,提高电荷的传输效率。 为了更好的促进载流子在共轭聚合物体系中的输运,把共轭体系拓展到第二个维度是一种非常有效的方式。但是当把共轭高分子共轭的维度从一维拓展到二维时,研究遇到了很大的阻碍,最近几年关于通过共价键相连的二维共轭聚合物的研究正在飞速发展。通过改变反应单体的官能团类型、数量和反应类型,研究人员已经获得了很多不同拓扑结构的二维聚合物材料。但是大面积高质量二维共轭聚合物的制备一直是该研究领域的研究难点,而且关于它们在光电器件中的应用研究还很少。因此,对高质量二维共轭聚合物光电性能的探索是当前研究领域亟待解决的问题,对此我们在二维共轭聚合物的生长及其光电性能的测试方面做了一些实验性的探索。 本论文主要围绕着材料的结构和性能之间的关系展开,分别从一维、二维共轭聚合物分子结构、聚集态的有序性以及载流子传输特性等几个方面开展了一系列工作: 1.系统研究解析了高质量、半导体性聚丁二炔poly-PCDA的单晶生长及分子堆积。通过物理气相传输法制备高质量PCDA单体的单晶,在不破坏和剧烈改变其晶体结构的前提下光照使其原位聚合形成高质量的聚合物单晶poly-PCDA,并且对PCDA晶体中聚合前后的分子堆积和结构转变进行了详细的解析。 2.进一步将高质量的聚丁二炔poly-PCDA晶体用于场效应器件的构筑。通过微米线掩膜法制备了poly-PCDA单晶的交叉四电极和两电极场效应器件。研究发现,其共轭主链方向的迁移率比垂直于主链方向(π-π堆积方向)的迁移率高了两个量级,说明电荷的输运主要是通过链内的高效传输来实现的,最高的迁移率达到了42.7 cm2 V-1 s-1,是目前所报道的共轭聚合物材料中的最高值之一。为我们将来设计合成和制备新型共轭聚合物材料以及器件提供了新的思路。 3.在二维共轭聚合物的制备方面我们做了实验性探索,通过改进的PVT方法,利用Ullmann自由基偶联反应在铜箔表面生长了大面积、窄带隙的二维共轭聚合物薄膜poly-BTT。我们通过多种表征手段分析了薄膜的化学结构、元素组成以及能级带隙。同时通过制备其场效应器件实现了1536 S cm-1的电导率和>100 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率,表明其在太阳能电池、有机传感器件等方面都有巨大的应用价值。