The Influence of Fluoroalkyl Side-Chain Ratio on Charge Transporting Properties in DPP-BTZ Copolymer Film: A DFT Simulation Study with Experimental Support

Abstract

Diketopyrrolopyrrole(DPP) 기반 도너-수용체(D-A)형 공중합체는 높은 전계효과 이동 도와 함께 p형 및 n형 전하를 모두 전달할 수 있는 양극성 특성으로 인해 유기반도체 전자소 자 연구자들로부터 많은 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 유기전계효과 트랜지스터(Organic Field-Effect Transistors, OFETs)의 채널로 사용된 Diketopyrrolopyrrole- Benzotriazole(DPP-BTZ) 기반 반도체성 공중합체의 알킬 대 불소화알킬 측쇄 비율을 10:0, 7:3, 5:5, 3:7로 조정했을 때, 관찰된 OFET 성능 변화의 원인을 밀도 범함수 이론 (DFT) 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 특히, DPP-BTZ 반도체성 공중합체의 알킬 대 불소 화알킬 측쇄 비율이 고분자 골격의 평면성에 미치는 영향을 뒤틀림 각도와 에너지 측면에서 분석하였으며, 그 결과 DPP-BTZ 공중합체의 적층 구조가 3.5 Å의 π-π 적층 거리에서 골 격 평면성을 결정하는 중요한 요소임을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구에서는 밀도 범함수 이론 시뮬레이션을 통해 측쇄 설계가 골격 평면성 및 효율적인 전하 이동을 가능하게 하는 고 성능 D-A형 반도체 공중합체 설계에 필수적임을 입증하였다.|In the pursuit of advancing the frontiers of organic field-effect transistors, Diketopyrrolopyrrole (DPP) -based donor-acceptor (D-A) type copolymers are earning keen research interests due to their high field-effect mobility coupled with the ambipolar characteristics within which both p-type and n-type charge can occur along a backbone curvature. In this Density Functional Theory (DFT) simulation study, the focus was on determining the planarity of the backbone curvature of the Diketopyrrolopyrrole-Benzotriazole (DPP-BTZ) copolymer chain in giving an in depth understanding the charge transporting properties that occurred experimentally. Also, the side-chain engineering was considered in ratios of alkyl: fluoroalkyl side chains of 10:0, 7:3, 5:5, and 7:3 where the influence of the fluorine has on the planarity of the DPP-BTZ backbone curvature using torsional angles and energetics. Stacking of the DPP-BTZ copolymer was also crucial in determining the planarity of the copolymer at a - stacking distance of 3.5 Angstroms. In conclusion, this study with experimental support elucidates that the planarity of the backbone curvature under the influence of side-chain engineering, is essential for efficient charge transport in order to design a high-performance D-A type semiconducting copolymer.