星型稠环并苯类有机场效应晶体管半导体材料的合成及性质研究

The research for organic field-effect transistors (OFETs) attracted significant commercial and academic interest and got rapidly development in recent years. To obtain high performance thin film transistor devices by low cost solution method become one of the most important issues for the OFETs application and industrialization. In view of the possible molecular stacking configuration, a serial of two-dimensional starphenes were designed and which could combine the advantage of the high mobility thienoacene and easy soluble star-shape organic semiconductor materials. The target starphene molecules were anticipated to form tight-packing stereo structure which dominated by one-dimensional column and cross-connected each other between the columns, so that the charge carrier can transport efficiently in semiconductor layer and avoid the performance fluctuation due to the anisotropy effect. The thin film transistors would be fabricated by the low cost solution-processed deposition. Some organic semiconductor materials with both high mobility and high on/off ratio would be selected and which should also be easy film-forming and stable in air. Furthermore, the inherent relationship between the molecular structure, assembly manner and physical /chemical performance would be explored.

有机场效应晶体管的研究得到了学术界和工业界的极大关注，并取得了迅猛发展。如何利用低成本的溶液法制备高性能的薄膜器件成为推动有机场效应晶体管应用及产业化的最重要问题之一。本申请在综合文献和申请人以往工作经验的基础上，着眼于提高溶液法制备的有机薄膜场效应晶体管的电学性能，从分子结构的设计及其可能的堆积方式出发，将稠环苯并噻吩类化合物具有高电学性能和星型化合物良好溶解性与成膜特性的优点结合起来，设计合成二维星型稠环并苯类有机半导体材料，以形成柱状一维堆积为主、柱间相互交叉的三维紧密堆集结构，从而实现载流子在有机半导体层最高效的传输，同时避免强各向异性导致的较大性能波动而获得稳定的电学性能。并利用低成本的溶液法制备薄膜场效应晶体管器件。筛选几种迁移率和开关比高、稳定性好、成膜工艺简单的高性能的有机半导体材料，探索材料的分子结构与自组装聚集方式及物化性能的关系。

有机场效应晶体管的研究得到了学术界和工业界的极大关注，并取得了迅猛发展。结构决定性能，如何揭示分子结构-聚集态-性能之间的关系，从而通过分子结构的修饰，有效设计具有较高电学性能的有机半导体材料，是目前该领域中重要的课题。在本项目的资助下，我们取得了如下研究成果：（1）设计合成了完全平面的二维星型稠环共轭化合物，其分子间强的π-π作用有利于形成长的单晶纳米线，单晶场效应晶体管器件迁移率达到0.56 cm2v-1s-1，并具有较低的阈值电压。（2）设计合成了一系列 “H”-构型二维稠环化合物，大平面共轭结构有利于获得π-电子高度离域范围，基于这些材料的纳米带单晶器件展示了高达17.9 cm2V-1s-1和15.6 cm2V-1s-1的迁移率。结合化合物单晶结构和各向异性，研究了其构-效关系，结果表明分子间强的π-π作用和S…S作用协同作用对于提高器件电学性能有非常重要的作用。（3）设计合成了一系列具有扭曲的非平面结构的易溶的苯并噻吩-苯并呋喃类似物，并利用分子内氢键使得分子在堆积时获得了部分平面性，有助于分子之间的紧密堆积以及载流子跳转，基于单晶微米带的场效应晶体管器件迁移率超过0.8 cm2v-1s-1，结果表明弱的非共价键对分子聚集和性能有很大的影响。（4）通过引入含羰基的吸电子受体单元，与吡咯并吡咯二酮（DPP）共聚合成新的A-A双组分共聚共轭聚合物，获得了平衡的p-型和n-型特性，电子和空穴迁移率均高达0.46 cm2V-1s-1。（5）采用三组分体系，以吡咯并吡咯二酮（DPP）为主体结构单元，分别引入不同比例的吸电子的联二噻唑和给电子的联二噻吩，合成一系列含三组分共轭结构单元的共聚物。结果显示，吸电子和给电子的结构单元的比例对共聚物的能级调整有很大的影响，有助于对能级实现精确调控并获得平衡的p-型和n-型电学特性。（6）分别以萘和芘为核心单元，合成了两个系列共轭寡聚物，研究了其构性关系。（7）项目执行期间，授权专利5项，撰写论文10篇，已发表高影响的 SCI 论文5篇，另外5篇正在投稿过程中。.计划任务完成，实现了课题的预期目标。