有机半导体的氢键组装作用与传感应用研究

High-mobility organic semiconductors are the basic materials supporting the studies of organic field-effect transistors, further revealing fascinating investigations in multi-functional applications for low cost, wearable and healthcare devices. Fine-tuning intramolecular and intermolecular interactions within organic semiconductors plays a vital role in promoting the high performance and modulating multifunctional properties. Hydrogen bond is one of the most important weak interactions, and the study on hydrogen-bond assisted molecular assembly is an effective route for high-mobility organic semiconductors. However, it is not clear for the influence on molecular assembly, carrier transport pathway and their functional expression made by the hydrogen-bond interaction. In this project, we focus on the system study of the hydrogen-bond functionalized organic semiconductors. By developing fluid induced molecular stacking and controlled microstructure with the complex molecular interactions, we want to realize highly aligned molecular packing and develop their special applications in sensors. Based on these hydrogen-bond-contained molecules, we will fabricate organic filed-effect transistors with good operation stability, fast response and special bio-chemical sensing, investigate the relationship between molecular structure and performance, dig the role played by hydrogen-bond interactions in molecular assembly and carrier transport, and finally drive their applications in high-performance organic semiconducting materials and devices.

高迁移率有机半导体作为有机场效应晶体管的核心材料，是发展低成本可穿戴电子设备和健康监测器件的重要体系。精确调控分子内与分子间的相互作用是进一步提升半导体性能和调控功能性质的关键。氢键是最为重要的弱相互作用之一，基于氢键组装的研究可为高迁移率有机半导体的发展提供有效策略。但是，人们对分子的氢键组装作用、氢键对载流子传输通道的贡献以及器件功能化的影响均缺乏系统的认识。针对以上科学问题，本项目以可形成氢键的有机半导体为研究对象，以调控分子的有序组装为研究主线，发展分子组装与薄膜微观结构调控的新策略，制备高迁移率器件并系统研究各向异性的载流子传输性能，明晰分子间氢键在分子堆积和载流子传输中的作用，发展其在快速响应、可特异性识别的生物传感中的应用，推动高迁移率有机半导体及其电子器件的发展。

有机半导体作为有机光电器件的重要组成部分，其分子组装结构直接影响电荷传输，是获得调控器件性能和功能化的关键。本项目围绕含特殊官能团结构的有机半导体分子液相组装结构调控和氢键等多重相互作用影响展开研究，探究氢键组装诱导作用，揭示分子结构与微观结构、电荷传输性能的关系，实现了高迁移、空气/溶液稳定的有机晶体管器件构筑，发展了界面弱相互作用诱导的功能分子组装策略，并将其应用于超高灵敏度气体、液体传感以及传感机制研究分析。具体包括一下方面：在本项目的研究中，我们在传统剪切拉膜系统基础上成功改造搭建了能够引入外场作用的配件，结合温度场和电场可有效调控多重弱相互作用力诱导的分子组装过程；通过单一材料溶剂调节和复合材料组成调节，实现了高效电荷传输功能层的制备，器件迁移率达1 cm2 V-1 s-1，从而满足空气以及液相环境中可稳定工作的化学传感研究；利用多材料复合和界面物性调控，发展了柔性生物传感器，促进可穿戴汗液乳酸检测器件的开发。上述研究成果一方面有利于对分子结构与传感性能关系认识的加深，另一方面可以促进传感功能性有机半导体以及探针分子的设计与筛选，发展面向健康监测的柔性电子传感器。基于该课题的研究，本项目还支持撰写了以天然分子启发的有机薄膜晶体管的生物传感研究为题的综述，为氢键辅助的有机半导体材料开发、电荷传输以及传感应用研究提供总结与概括。