核扩展的萘二酰亚胺-插烯四硫富瓦烯类双极性有机半导体

与p-型和n-型有机半导体相结合的方法相比,双极性有机半导体在构筑逻辑互补电路方面具有明显优势,然而,目前综合性能优良的双极性有机半导体仍较为缺乏.通过能级调控策略,设计合成了五个苯并六元氮/氧/硫杂环核扩展的萘二酰亚胺-插烯四硫富瓦烯(NDI-VTTF)衍生物1~5,并对其底栅顶接触结构的有机场效应晶体管(OFET)器件性能进行了研究.结果表明化合物1~5均具有双极性载流子传输特性,其中化合物1,3~5是电子传输主导的双极性有机半导体,而化合物2是电子和空穴传输性能平衡的双极性有机半导体.得益于热退火处理对薄膜结晶性的提高和微观形貌的改善,基于化合物1~5的薄膜OFET器件的迁移率均随热退火温度的升高而增大,其中基于化合物2的薄膜OFET器件经180℃热退火后的电子和空穴迁移率分别达到0.037和0.050 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1).

核扩展萘二酰亚胺-插烯四硫富瓦烯衍生物的设计合成与性能研究

与p-型有机场效应晶体管(OFET)相比,目前n-型OFET仍面临器件性能低及稳定性差等问题.利用萘二酰亚胺(NDI)核π-扩展策略,设计合成了邻苯二硫酚取代的萘二酰亚胺-插烯四硫富瓦烯衍生物(BDTNDI-DTYA)2,通过溶液旋涂成膜法制备了基于(BDTNDI-DTYA)2的底栅顶接触结构的OFET器件.研究结果表明(BDTNDI-DTYA)2表现出n-型半导体特性,其薄膜未经处理时器件的平均电子迁移率为0.04 cm^(2)•V^(-1)•s^(-1),以热退火(160℃)和添加剂(薁)升华两种方式分别对(BDTNDI-DTYA)2的薄膜进行处理后,薄膜器件的平均电子迁移率分别提升至1.00和0.98 cm^(2)•V^(-1)•s^(-1).研究表明OFET器件性能的显著提升均得益于薄膜结晶性的提高和形貌的改善.设计合成了高性能的n-型有机半导体材料(BDTNDI-DTYA)2,并以薁为调节剂对OFET的活性层结构形貌进行了有效调控,为有机半导体材料的设计合成及其OFET器件性能的提升提供了新思路.

薁乙炔封端的萘二酰亚胺小分子的设计合成与场效应性能研究

薁是一种青蓝色的具有较大分子偶极矩的化合物.与传统的芳香化合物不同,薁类化合物具有特殊的光电性质.分别以薁的2-位和6-位通过叁键与萘二酰亚胺相连接合成了两个同分异构体化合物1和2.鉴于薁七元环的缺电子性和五元环的富电子性,通过不同的连接位点,两个化合物在物理化学性质以及器件性能方面表现出显著差异.理论计算表明,6-乙炔基薁封端的萘二酰亚胺衍生物2具有更低的最低空轨道(LUMO)能级和更好的LUMO电子离域性.通过旋涂的方法制备了两个化合物1和2的有机场效应晶体管(OFET)器件,在氮气条件下测得1和2的电子迁移率分别为0.022和0.16 cm^2·V^(-1)·s^(-1),基于化合物2的OFET器件表现出更优的场效应性能,这和理论计算所得结果相一致.

萘二酰亚胺手性衍生物的合成及其场效应晶体管性能研究

萘二酰亚胺类共轭分子是一类经典且被广泛研究的有机半导体材料.在本工作中,通过亲芳核取代反应将手性环己二胺引入萘二酰亚胺的两端合成了光学纯化合物(I-R,I-S),内消旋化合物(I-R,S),以及经I-R和I-S等物质的量共混得到的外消旋混合物(I-rac),并对这些化合物的紫外-可见吸收光谱、圆二色谱及电化学性质进行了研究.光学纯(I-R,I-S)和消旋体(I-R,S,I-rac)材料在溶液状态下的光谱吸收完全一致,但其薄膜吸收存在差异,消旋体薄膜的最大吸收峰较光学纯材料红移了约5 nm,这表明它们的聚集态结构有所不同.以这些化合物或混合物为活性层制备的有机场效应晶体管(OFET)在氮气条件下均表现出p型半导体特征.其中,内消旋体(I-R,S)和外消旋体(I-rac)OFET器件的空穴迁移率分别为0.074和0.075 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1),均高于光学纯材料I-R和I-S的器件性能(空穴迁移率约为0.04 cm^(2)·V^(-1)·s^(-1)).研究结果表明,手性诱导分子组装产生不同的聚集态结构,从而对材料的器件性能产生一定影响,这为萘二酰亚胺类有机功能分子的发展提供了新思路.

2,6-薁和3,4-丙撑二氧噻吩共聚物的主链结构调控及性质研究

本工作通过理性分子设计和直接芳基化聚合策略,合成了三个基于2,6-薁和3,4-丙撑二氧噻吩的共轭聚合物P(AzProDOT-1)、P(AzProDOT-2)和P(AzProDOT-3),其主链中薁单元偶极取向排列方式分别为无规、部分规整和高度有序.通过密度泛函理论(density functional theory,DFT)计算、紫外-可见吸收光谱和循环伏安法等对三个聚合物的物理化学性质进行表征,三个聚合物在溶液和薄膜状态均表现出质子响应性质.通过溶液旋涂法构筑了三个聚合物空间电荷限制电流(space-charge-limited current,SCLC)器件,薁单元偶极取向排列高度有序的聚合物P(AzProDOT-3)表现出最优的器件性能,空穴和电子迁移率分别为1.41×10^(−4) cm^(2)·V^(−1)·s^(−1)和1.66×10^(−5) cm^(2)·V^(−1)·s^(−1).本工作精准调控了2,6-薁共轭聚合物的主链结构,为薁基共轭聚合物的合成化学和明晰其结构-性质/性能关系提供了研究思路.