Significant Improvement of Unipolar n-Type Transistor Performances

Publication Date (Web): January 31, 2019. Copyright © 2019 American Chemical Society. Cite this:J. Am. Chem. Soc. XXXX, XXX, XXX-XXX ...
0 downloads 0 Views 2MB Size
Subscriber access provided by the Henry Madden Library | California State University, Fresno

Article

Significant Improvement of Unipolar n-Type Transistor Performances by Manipulating the Coplanar Backbone Conformation of Electron-Deficient Polymers via Hydrogen-Bonding Yang Wang, Tsukasa Hasegawa, Hidetoshi Matsumoto, and Tsuyoshi Michinobu J. Am. Chem. Soc., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/jacs.8b12499 • Publication Date (Web): 31 Jan 2019 Downloaded from http://pubs.acs.org on February 1, 2019

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Journal of the American Chemical Society

Significant Improvement of Unipolar n-Type Transistor Performances by Manipulating the Coplanar Backbone Conformation of Electron-Deficient Polymers via Hydrogen-Bonding Yang Wang*, Tsukasa Hasegawa, Hidetoshi Matsumoto, and Tsuyoshi Michinobu*  Department of Materials Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, 2‐12‐1 Ookayama, Meguro‐ku,  Tokyo 152‐8552, Japan  KEYWORDS: unipolar n‐type organic transistors, semiconducting polymers, electron transport, conformation anal‐ ysis, noncovalent interactions, hydrogen bonding ABSTRACT: The development of high‐performance unipolar n‐type semiconducting polymers still remains a significant  challenge.  Only  a  few  examples  exhibit  a  unipolar  electron  mobility  over  5  cm2  V–1  s–1.  In  this  study,  a  series  of  new  poly(benzothiadiazole‐naphthalenediimide) derivatives with the high unipolar electron mobility (μe) up to 7.16 cm2 V–1 s–1  in thin film transistors are reported. The dramatically increased μe is achieved by finely optimizing the coplanar backbone  conformation  through  the  introduction  of  vinylene  bridges  which  can  form  intramolecular  hydrogen  bonds  with  the  neighboring  fluorine  and  oxygen  atoms.  The  hydrogen  bonding  functionalities  are  fused  to  the  backbone  to  ensure  a  much  more  planar  conformation  of  the  conjugated  π‐system,  as  demonstrated  by  the  density  functional  theory  (DFT)‐ based  calculations. The  theoretical  prediction  is in  good  agreement with the  experimental results. As the coplanarity  is  promoted by the hydrogen bonding, the thin‐film crystallinity and molecular packing strength are also improved, which  is  evidenced  by  the  synchrotron  two‐dimensional  grazing‐incidence  wide‐angle  X‐ray  scattering  (GIWAXS)  and  atomic  force microscopy (AFM) measurements. Notably, the GIWAXS measurements reveal an extremely short π‐π stacking dis‐ tance of 3.40 Å. Overall, this study marks a significant advance in the unipolar n‐type semiconducting polymers and offers  a general approach for further increasing the electron mobility of semiconducting polymers in organic electronics. 

INTRODUCTION Since  the  first  solution‐processed  polymer  light‐ emitting‐diode based on a poly(phenylenevinylene) (PPV)  derivative in 1990, semiconducting polymers have attract‐ ed more and more attention due to their vast application  possibilities  in  flexible,  light‐weight,  and  large‐area  or‐ ganic electronics.1,2 Among the organic electronic devices,  polymer thin‐film transistors (PTFTs) are of special inter‐ est as the basic elements of circuits for their potential use  in flexible displays and skin electronics.3 According to the  polarity  of  the  dominant  charge  carriers in  the transistor  channel, semiconducting polymers can be typically classi‐ fied  as  p‐type  (hole  dominant),  n‐type  (electron  domi‐ nant),  and  ambipolar  (both  carriers).  Significant  efforts  have  been  devoted  to  the  development  of  p‐type  semi‐ conducting polymers with the state‐of‐the‐art hole mobil‐ ities  over  10  cm2  V–1  s–1,  which  are  superior  to  those  of  amorphous silicon‐based thin film transistors.4  Compared  to  the  well‐developed  p‐type  semiconduct‐ ing  polymers,  however,  the  emergence  and  development  of  complementary  n‐type  (electron‐deficient)  semicon‐ ducting polymers have been slow with the highest unipo‐ lar  electron  mobility  of  6.50  cm2  V–1  s–1.5  This  is  mainly  because  the  development  of  high‐performance  n‐type  semiconducting polymers is still highly challenging due to 

the  following  reasons:  (1)  Synthetic  difficulty  in  develop‐ ing  n‐type  semiconducting  polymers  with  deep  lowest  unoccupied  molecular  orbital  (LUMO)  energy  levels,  which is due to a lack of strong electron‐deficient mono‐ mers and suitable polymer design strategies; and (2) Lim‐ ited  stability  of  the  devices  under  ambient  conditions.  Since  most  electron‐deficient  polymers  are  vulnerable  to  water  and  oxygen  under  actual  device  operating  condi‐ tions,  long‐term  stable  n‐type  PTFTs  using  a  top  con‐ tact/bottom gate device structure without any encapsula‐ tion are rarely reported. Despite these issues, n‐type sem‐ iconducting  polymers  are  highly  desired  as  electron‐ transporting  materials  for  realizing  potential  p‐n‐ junction‐based  flexible  and  wearable  optoelectronic  de‐ vices, such as complementary metal‐oxide‐semiconductor  (CMOS)‐like  logic  circuits,  all‐polymer  solar  cells  (all‐ PSCs),  organic photodetectors (OPDs), and  organic ther‐ moelectrics (OTEs).6,7 Therefore, how to effectively devel‐ op  high‐mobility  n‐type  (electron‐deficient)  semicon‐ ducting  polymers  with  a  long‐term  stability  remains  a  fundamental issue in this research field.8  From  the  viewpoint  of  the  energy  levels,  an  effective  approach  to  achieve  promising  n‐type  semiconducting  polymers  is  to  deepen  their  LUMO  energy  levels  to  near  or  below  −4.0  eV.9  Therefore,  the  following  two  effective  molecular design strategies could be adopted: (1) to intro‐

ACS Paragon Plus Environment

Journal of the American Chemical Society 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 2 of 12

Figure  1.  (a)  Examples  of  high‐performance  n‐type  (ambipolar)  semiconducting  polymers  using  the  recently  developed  strategy of “dual‐acceptor”; (b) Manipulation of the backbone planarity via hydrogen bonding in this study, as demonstrat‐ ed by the optimized geometry of BBTV, BBTV‐F, NDI‐T, and NDI‐V‐T units using the DFT B3LYP/6‐31G(d) level of theory;  (c) Chemical structures of the new n‐type copolymers developed in this study. 

duce  electron‐withdrawing  groups  (EWGs,  such  as  fluo‐ rine,  sp2‐nitrogen,  and  cyano  groups)  into  the  D‐A  poly‐ mer backbones; and (2) to introduce two  or more accep‐ tor  building  blocks  in  one  polymer  repeat  unit.10  While  the  former  approach  may  readily  achieve  high  electron  mobilities by modifying the backbone structures of previ‐ ously  reported  p‐type  D‐A  polymers  with  high  hole  mo‐ bilities, the latter will benefit the straightforward synthe‐ sis  by  using  cross‐coupling  reactions,  as  represented  by  the “acceptor dimerization” strategy (Figure 1a left).11  During  the  course  of  our  study  and  manuscript  prepa‐ ration,  several  polymers  using  the  “dual‐acceptor”  strate‐ gy  (such  as  “D‐A‐A”  or  D‐A1‐D‐A2  backbone,  Figure  1a  and  Figure  S1)  were  reported.11‐13  For  example,  bis(pyridal[2,1,3]thiadiazole)  (BPT),  which  is  a  dimeric  form of the pyridalthiadiazole (PT) unit (Figure 1a)11, pro‐ duced  a  semiconducting  polymer  (PBPTV)  with  a  high  electron affinity and extended π‐conjugation. As a conse‐ quence,  PTFTs  based  on PBPTV  exhibited  excellent  elec‐ tron‐dominant  ambipolar  transistor  performances  with  the  hole/electron  mobilities  of  6.87/8.94  cm2  V−1  s−1.  As  another  example,  a  D‐A1‐D‐A2  type  electron‐deficient  copolymer  composed  of  naphthalenediimide  (NDI)  and  the  benzobisthiadiazole  derivative  (SN),  namely  pSNT,  demonstrated  a  high  EA  and  remarkable  unipolar  elec‐ tron mobility of 5.35 cm2 V−1 s−1 (Figure 1a).13  On  the  other  hand,  the  backbone  coplanarity  of  poly‐ mers also plays a critical role in their opto‐electrical prop‐ erties and film morphologies, which exert a profound im‐ pact on the performance of organic electronics. Generally  speaking,  n‐type  polymers  more  easily  suffer  from  the 

problem  of  “nonplanar  backbones”.  This  is  because  the  electron‐withdrawing  substituents  (e.g.,  C=O  and  C≡N  groups),  which  can  enable  n‐type  charge  transport  prop‐ erties,  are  usually  bulky  and  may  induce  a  large  steric  hindrance  on their neighboring subunits.14  This issue be‐ came even more severe in the cases of the recently devel‐ oped  A‐A  type  homopolymers  or  “dual‐acceptor”  type  polymers.11,13 For instance, density functional theory (DFT)  calculations  suggested  that  the  backbones  of  the  above  “dual‐acceptor” type polymers, PBPTV and pSNT, had the  relatively large dihedral angles (θ) of 25° and 40°, respec‐ tively  (Figure  1a  and  Figure  S1).11,13  Consequently,  the  twisted polymer backbones would have potentially short‐ ened  the  coherent  conjugation  length,  hampered  the  in‐ trachain  delocalization  of  the  HOMO/LUMO  orbitals,  and  inhibited  interchain  carrier  transport as a  result  of a  poor molecular packing and low thin‐film crystallinity.14  One  strategy  to  solve  the  aforementioned  “nonplanar  backbone” issue of the state‐of‐the‐art n‐type polymers is  to  design  new  acceptor  units  based  on  five‐membered‐ ring (e.g., thiophene)‐fused  structures.  For  example, Guo  et  al.  reported  a  series  of  n‐type  polymers  based  on  the  bithiophene  imide  (BTI)  or  thiazolothienyl  imide  (TzTI)  units, which showed the μe values up to 3.71 and 1.61 cm2  V−1  s−1,  respectively  (e.g.,  polymers  PBTI  and  PDTzTI,  see  Figure  1a).15,16  These  high  electron  mobilities  benefited  from  the  minimized  steric  hindrance  between  the  adja‐ cent  BTI  or  TzTI  units  since  the  electron‐withdrawing  imide group is located on the center of the bithiophene or  thiazolothiophene  moieties,  which  provides  enough  free  space  for  their  neighboring  co‐monomers  (Figure  1a). 

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Journal of the American Chemical Society

Scheme 1. Synthesis of the monomers and copolymers.

However, to obtain these fused ring structures, a compli‐ cated  molecular  design  and  tedious  synthesis  are  often  needed.  Another  approach  to  enhance  the  coplanarity  of  the  polymer  backbones  is  to  simply  introduce  vinylene  spacers. For example, Yang et al. reported that a vinylene‐ bridged  bis(benzothiadiazole)  (BBTV)  derivative  shows  a  planar  backbone  and  promising  electron  transport  prop‐ erties  when  incorporated  into  the  PDPP‐BBTV  copoly‐ mers (Figure 1a).17 Nonetheless, the vinylene spacers were,  in  most  cases,  introduced  into  the  donor  segments  (Fig‐ ure  S2a),  and  vinylene‐incorporated  acceptor  segments  were rarely reported.18 For example, the key acceptor unit  of  1,2‐bis(7‐bromobenzo[c][1,2,5]thiadiazol‐4‐yl)ethene  was  not  readily  obtained  by  the  one‐pot  Stille  coupling  even  when  a  large  excess  of  4,7‐ dibromobenzo[c][1,2,5]thiadiazole  was  employed  (