有机给体-受体共晶的双极性输运性能研究

Ambipolar organic semiconductors refer to organic materials who can transport hole and electron simultaneously, which have attracted great interest in understanding the charge transport properties of organic semiconductors and developing organic circuits with high performance and low power consumption. However, it is still a great challenge to design and synthesis organic molecules with ambipolar transport properties, and the successful cases are still rare. Here we are going to explore a new strategy for achieving ambipolar organic semiconductors, which will based on studies of the alternatively stacked complexes of existing organic electron donors and acceptors. These materials will offer the advantagies similar to that of one-component amibpolar materials in performance and processing and avoid the complicated synthesis processes. Studies on the ambipolar transport properties of these donor-acceptor complexes will also help us extanding our knowledge on electric transport behavior and mechanism in organic materials. We are going to carry out this work by exploring the relationship between the structure and transport properties. Different electron donors and acceptors with different frontier orbital energy level and different pi-conjugated system will be employed for the formation of donor-acceptor complexes with different structures. Single crystal formation condition and preparation of one-dimensional nanostructures of these donor-acceptor complexes will be studied. Materials suitable for solution processing will be developed and find applications in the organic circuits and photovoltaic devices.

双极性有机半导体材料可以同时输运电子和空穴，此类材料对于深入理解有机半导体材料的电荷输运性质，研制高新能、低能耗的有机电路具有非常重要的意义，但目前设计合成双极性有机半导体分子仍是十分困难的工作，相关报道非常少。我们提出一种全新的思路以实现双极性输运的有机半导体材料，即通过现有的有机电子给体和电子受体分子形成具有交替堆积结构的给体-受体复合物，此类材料将具有类似单组份双极性材料在性能和器件加工方面的优势，同时也可以避免繁琐的分子设计与合成。对给体-受体复合物体系的研究还可以帮助深入理解有机分子材料中电荷输运的机理。本项目计划通过不同有机电子给体、受体分子的组合，研究各组份分子能级、共轭体系的大小等对形成的复合物的结构、电荷输运性能的影响，并研究复合物单晶、一维纳米结构的制备条件，以得到适于进行溶液加工的给体-受体复合物半导体材料，并将此材料应用于有机逻辑电路、有机光伏器件的研究。

双极性有机半导体材料可以同时输运电子和空穴，此类材料对于深入理解有机半导体材料的电荷输运性质，研制高新能、低能耗的有机电路具有非常重要的意义，但目前设计合成双极性有机半导体分子仍是十分困难的工作，相关报道非常少。我们提出一种全新的思路以实现双极性输运的有机半导体材料，即通过现有的有机电子给体和电子受体分子形成具有交替堆积结构的给体-受体复合物，此类材料将具有类似单组份双极性材料在性能和器件加工方面的优势，同时也可以避免繁琐的分子设计与合成。对给体-受体复合物体系的研究还可以帮助深入理解有机分子材料中电荷输运的机理。本项目计划通过不同有机电子给体、受体分子的组合，研究各组份分子能级、共轭体系的大小等对形成的复合物的结构、电荷输运性能的影响，并研究复合物单晶、一维纳米结构的制备条件，以得到适于进行溶液加工的给体-受体复合物半导体材料。我们系统研究了针对给-受体复合物体系中决定载流子迁移率的关键因素的调控途径，一方面通过采用具有扩展组成单元的共轭体系，从增加分子间的轨道重叠和电子耦合，从而提升迁移率；另一途径是通过选择具有不同的LUMO能级的结构上类似的一系列受体分子，与同一种的给体分子进行组合，从而通过前线轨道的能级的匹配的变化实现了对给受体间分子前线轨道的耦合和超交换作用的调控，从而实现对复合物的双极性输运性能的调控。以实现溶液加工为目标，通过选择具有形成有机凝胶特性的给受体分子，通过溶液组装形成了具有双极性传输特性的给-受体组装体系。研究了C60/C70分别和DPTTA分子形成了给受体单晶的光伏转换特性，这是首个基于分子层次的本体异质结的光伏器件。在Accounts of Chemical Research上发表论文，总结了我们通过给-受体复合物实现对有机半导体材料的光电性能进行调控，得到新型的半导体，特别是实现双极性、光相应性材料等方面的工作。