新型有机半导体材料的制备、组装及性能表征

As an important part of organic field-effect transistors (OFETs), organic semiconductor has aroused great attention for decades due to its potential in: 1) low-cost, large-scale and flexible organic applications, and 2) the controllable molecular structure and its directionally modified properties, which could not be achieved by finite inorganic semiconductors. Nowadays, the hot spot of this field lies in the design and synthesis of air-stable high-performance organic semiconductors, controllable regulation of self-assembled conditions, and guiding instruction of molecular design and device optimization, all of which could be summarized from the massive comparative experiments. Design and screening of promising functional groups with high ionization potentials will be carried out in this project, followed by syntheses and characterization of high-yield air-stable organic semiconducting materials. The single-crystal structures and molecular packing modes in their solid states will be especially discussed for the study of structure-property relationship and device optimization. Meanwhile, utilization of surface energy analysis of dielectric layers with various modifications will be carried out for further exploration and improvement of device performance and novel device structures.

作为有机场效应晶体管（OFETs）的核心组成部分，有机半导体材料的设计、合成直接影响着器件的性能。当前有机场效应材料的研究热点在于设计合成高性能、高稳定性材料的同时，对半导体材料的自组装条件进行调控性研究，并从大量对比实验中总结出具有普适性的材料设计和器件优化规律。在该项目中，我们拟从合成和筛选具有高离子化能的结构单元出发，设计合成高性能、高稳定性的有机半导体材料，利用单晶X射线衍射等手段解析材料的分子结构、分子间相互作用力和堆积模式，在充分表征和分析材料的物理、化学性质的基础上，探索它们在OFET器件中的应用，研究材料结构与性能之间的关系，为新型有机半导体材料的结构设计提供依据。同时，在器件方面，利用表面能分析手段对多种衬底修饰条件和方法进行优化对比，并藉此开展一些基于非常规衬底的尝试性研究，为器件结构、功能的优化和新型器件的发展提供新思路。

作为有机电子器件的基本构筑单元，有机场效应晶体管（OFETs）因其在大面积、柔性器件制备方面具有广阔的应用前景而得到了广泛的关注，然而，人们对材料的分子结构与器件性能之间关系的认识尚待完善。因此，设计、开发新型的有机半导体材料，并细致探究材料的性质，特别是其固态性质，是研究新型场效应材料及其器件性能的关键环节，而发展基于有机半导体自组装性质的固态堆积结构调控方法是优化器件结构、性能和揭示材料本征性质的重要手段，也是探索有机分子多功能器件应用的重要前提。.HTEB是我们此前设计合成的一种含C≡C的噻吩-苯环共聚寡聚物，为了优化材料的堆积结构、制备高质量的有机薄膜，我们首次利用剪切拉膜技术制备得到了基于HTEB的大面积连续、超薄有序膜，薄膜厚度最小可以控制在一个分子层。以该高质量薄膜为基础的场效应晶体管迁移率最高达到了0.59 cm2V-1s-1，该值是蒸镀法制备的薄膜器件性能的7.3倍。以此为基础，我们制备了高灵敏的氨气传感器，检测限可以低至100 ppb，响应时间仅为5-32 s。除此之外，该类传感器还被证明具有非常高的选择性、可恢复性和稳定性，是近年来报道的同类传感器中综合优势最强的器件之一。.以具有高离子化能的苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩（BDT）为基本结构单元，我们又设计合成了分别以C＝C和C≡C桥联的BDT二聚体化合物BBDTE和BBDTY。我们利用紫外光电子能谱和紫外吸收光谱研究了材料的能级结构，结果表明：不饱和键的引入及桥键不饱和度的升高对降低材料的HOMO能级起到了促进作用；BBDTE具有较小的光学能级带隙，且在固态中呈现H-聚集的形态，表明C=C深度参与了分子内电荷离域，且分子间的相互作用力强，具有良好的分子平面性；BBDTY呈现J-聚集的固态堆积结构，且具有较短的共轭长度，因此分子的平面性较差，C≡C在分子内对电荷离域的贡献不及C=C。利用物理气相传输和贴金膜技术，我们制备了基于BBDTE和BBDTY的对UVA波段紫外光具有高选择性、高感光灵敏度、可恢复性好的有机光晶体管器件（OPTs）。对于光强仅为37 μW cm-2的UVA波段紫外光，器件的光响应和感光灵敏度分别达到9821 A W-1和10（5），这是至今OPT器件对紫外光响应最灵敏的器件之一，为充实材料的分子结构-性质研究、聚集态结构调控和多功能器件研究提供实验依据和理论基础。