Solution-Processable, Crystalline π-Conjugated Two-Dimensional Polymers with High Charge Carrier Mobility

Samik Jhulki, Jeehong Kim, In-Chul Hwang, Golam Haider, Jiyong Park, Ji Young Park, Yeonsang Lee, Wooseup Hwang, Ajaz Ahmed Dar, Barun Dhara, Sang Hoon Lee, Juho Kim, Jin Young Koo, Moon Ho Jo, Chan-Cuk Hwang, Young Hwa Jung, Youngsin Park, Monika Kataria, Yang-Fang Chen, Seung-Hoon Jhi,* Mu-Hyun Baik,* Kangkyun Baek* & Kimoon Kim*

유기반도체는 실리콘반도체 등 기존의 무기반도체의 단점으로 꼽히는 높은 가격, 복잡한 공정, 두께, 유연성 등의 한계를 모두 뛰어넘을 수 있는 차세대 소재이다. 특히, 전도성 고분자는 유기반도체 분야를 한층 더 성장시킬 소재로 각광받고 있다. 하지만 지금까지 전도성 고분자를 2차원 대면적으로 제조한 사례는 거의 없었다. 전도성을 가진 방향족 고리분자들은 친화력이 강해 서로 결합하며 겹겹이 쌓이기 때문에 여러 층으로 쌓인 고분자는 더 이상 성장하지 못하고 용액 속에 가라앉게 되고, 이로 인해 지금까지 합성된 2차원 전도성 고분자는 그 크기가 수십 나노미터(nm) 수준에 불과해 실생활에 사용되기엔 어려움이 있었다. 본 연구에서는 각각 6개의 하이드록시기(-OH)와 6개의 아민기(-NH2)가 도입된 트리페닐렌 분자를 용액상에서 자기조립하여 그래핀처럼 벌집 구조를 가진 2차원 전도성 고분자를 합성했다. 합성된 2차원 전도성 고분자는 합성 과정에 사용된 산성 촉매로 인해 부분적으로 양전하(+)를 띠게 되고, 양전하 간의 정전기적 반발력으로 인해 고분자 박막은 겹겹이 쌓이지 않아 용액에 골고루 분산될 수 있었다. 이로 인해 수백 마이크로미터 크기의 고분자 박막을 합성할 수 있었고, 이 ‘유사 그래핀’소재가 비정질 실리콘보다 약 4배 가량 높은 캐리어 이동도를 가지는 것을 확인하였다. 이 연구 결과는 저명 국제학술지 Cell의 자매지인 Chem에 게재되었다.

 

Poor solubility of π-conjugated two-dimensional polymers (C2Ps) has been a significant roadblock in incorporating these emergent materials into electronic devices by simple solution processing. Here, we report a rational design of triphenylene-based building blocks that condense via a series of reversible reactions for self-error-correction and a final irreversible fixation to form a pyrazine motif, which leads to the formation of crystalline C2Ps in solution without any aid of template or preorganization. Unlike typical covalent organic frameworks, remarkably, these materials remain dispersed as single- to few layer films in solution, presumably due to protonation of pyrazine motifs by the strong acid employed in the synthesis. The C2Ps can be easily drop-cast onto solid surfaces for characterization and fabrication of electronic devices. The thin polymer films display a long-range internal order and exhibit high hole mobility up to 4 cm2V-1s-1, the highest among C2Ps, which paves the way to design high performance optoelectronic devices.

 

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(20)30249-7