基于含噻吩稠环的高迁移率有机半导体材料的设计、合成与表征

High mobility organic semiconductors are crucial for the fabrication of high performance organic thin film transistors (OTFTs). Because thiophene-ring containing fused aromatics are characterized with high stability, low reorganization energy and strong intermolecular interaction, in this project, we will focus on the development of organic semiconductors based on thiophene-ring containing fused aromatics with mobility beyond 1 cm2/Vs. Particularly, the fused aromatics with more than 6 fused rings and conjugated oligomers based on thiophene-containing fused aromatics will be designed and synthesized for the establishment of the relationship between molecular structures and electronic structures, crystal structures and semiconducting properties. Then, the molecular structures, such as the number and position of the thiophene rings, will be optimized in order to obtain 1-2 organic semiconductors with the field-effect mobilities of 3-5 cm2/Vs and threshold voltages < 10 V. More than three research papers will be published in the peer-reviewed journals.

高迁移率有机半导体材料是制备高性能有机薄膜晶体管（OTFTs）的基础，本项目将基于含噻吩稠环化合物稳定性好、重组能低、分子间相互作用强的特点，以开发场效应迁移率> 1 cm2/Vs且具有自主产权的蒸镀型高迁移率有机半导体材料为目标，研究含噻吩稠环化合物的合成方法，设计与合成系列环数>6的含噻吩稠环化合物和基于该类稠环化合物的共轭齐聚物，建立分子结构与电子结构、晶体结构以及迁移率性质的关联。在此基础上，通过优化分子长度（环数）、噻吩环的比例和位置，力争获得1－2种迁移率在3－5 cm2/Vs、阈值电压< 10 V的高迁移率有机半导体材料，发表SCI收录学术论文3－5篇。

本项目以发展蒸镀型高迁移率有机半导体材料为目标，从基于噻吩稠环化合物的共轭齐聚物和线性含噻吩并苯类稠环化合物两个方面开展工作。（1）共轭齐聚物方面，设计与合成了三个系列基于芳香稠环单元的共轭齐聚物，特别是基于含噻吩稠环单元的具有不对称分子结构的齐聚物体系。以具有高迁移率和高稳定性特征的棒状噻吩稠环化合物为构筑核心，不对称地引入含烷基链噻吩取代基，赋予材料高有序液晶行为。通过调节烷基链的长度，系统地研究了分子结构-薄膜微观结构-有机薄膜晶体管（OTFT）器件性能间的关系，成功地实现了对薄膜凝聚态结构的调节，获得了高度有序的大晶区连续薄膜，使有机薄膜晶体管最高迁移率超过20 cm2/Vs。这一迁移率为目前真空蒸镀型有机半导体材料的最高值，为高迁移率材料的开发提供了新思路。（2）稠环化合物方面，设计与合成了二类七元含噻吩并苯类化合物，重点研究了噻吩环数目、位置的变化对材料载流子迁移率性质的影响，最高迁移率达到1.67 cm2/Vs。从中筛选出综合性能最佳的化合物-Ph5T2，采用物理气相沉积方法制备出超薄微纳尺寸的Ph5T2单晶，制备了相应的具有高电流开关比的柔性有机场效应晶体管，并进一步拓宽了它们在光响应和气体（H2S）传感器方面的新应用，性能较现有水平大幅提高，为发展高迁移率有机半导体材料开辟出新方向。