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化学所新型有机半导体材料研究取得系列进展,

发布时间:2019-07-16 10:20编辑:化学科学浏览(184)

    有机半导体材料是有机光电器件的基础,对于所制备的器件起着决定性作用。对于分子器件的研究和应用,设计合成具有高迁移率、高有序性、高稳定性和好的加工性的有机半导体材料具有重要意义和实用价值。

    近日,我校材料科学与工程系副教授郭旭岗课题组在国际一流期刊《德国应用化学》(《Angewandte Chemie International Edition》)上发表了关于梯状(ladder-type) n-型有机半导体的研究成果,论文题目为Ladder-type Heteroarenes: Up to 15 Rings with Five Imide Groups。该项工作受到期刊编辑和审稿人的高度评价,作为封面文章发表。

    在国家自然科学基金委,科技部和中国科学院的大力支持下, 中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室的研究人员在n型和p型有机半导体材料的设计与合成中取得系列进展,研究成果发表在近期的美国化学会志(J. Am. Chem. Soc.)上。

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    苝-3,4:9,10-四羧酸二酰亚胺是一类极具研究价值的电子传输材料,在有机发光二极管﹑太阳能电池﹑有机场效应晶体管等方面都得到了广泛的研究和应用。因此,以苝酰亚胺为基本单元通过设计与合成可以构建得到具有新颖结构和特殊性质的高性能n型半导体材料。研究人员以四氯苝酰亚胺为原料通过Stille反应合成得到了双噻吩掺杂的苝酰亚胺衍生物,同时发现这一类化合物在固态的自组装行为可以通过客体分子进行调控。相关研究成果被选为封面文章发表在化学通讯(Chem. Comm., 2006, 4587-4589)上。在此工作基础上,研究人员通过进一步研究发现了一种高效活化四氯苝酰亚胺的过渡金属体系,利用该体系通过偶联反应将两分子苝酰亚胺沿其分子短轴结合在一起,合成出全共轭的二并苝酰亚胺类化合物。这类化合物在可见光范围有宽谱吸收,电化学研究表明其优良的电子受体特性,有望作为新型的电子传输材料。相关工作已申请中国专利,初步结果发表于*J. Am. Chem. Soc.**,* 2007, 129, 10664—10665。

    图 1. 梯状n-型有机半导体论文封面

    在p型有机半导体材料方面,研究人员将稠环芳烃体系和噻吩功能单元有机地结合起来,设计合成出基于硫杂苝的小分子有机功能分子体系,利用硫杂苝功能分子制备了薄膜及微纳晶场效应管器件并测试了基本性能,发现噻吩单元的引入导致功能分子具有非常独特的双通道超结构,多重超分子自组装作用的协同效应导致其微纳晶场效应管迁移率高达0.8 cm2 V-1 s-1。研究结果发表于澳门微尼斯人娱乐,J. *Am. Chem. Soc.**,* 2007, 129, 1882-1883。

    梯状有机半导体是一类非常重要的半导体材料, 这类半导体具有刚性结构、高共面性及载流子高度离域等特性,从而有利于实现高迁移率的晶体管器件, 因此梯状有机半导体对材料的基本物理化学性质研究和高性能有机半导体的开发都具有重要意义。梯状有机半导体材料通常富有电子,在电子器件中作为p-型半导体使用。由于合成挑战和同时拉电子基团带来的空间位阻,缺电子的梯状n-型有机半导体材料非常稀缺,难以合成,相对于p-型半导体载流子迁移率要低、器件稳定性要差。酰亚胺高分子半导体是有机电子领域最为重要的半导体材料之一,由于酰亚胺的强拉电子效应,迄今为止高性能的n-型有机半导体材料通常都带有酰亚胺或酰胺基团。郭旭岗从博士期间在国际上率先并系统性地研究了各类酰亚胺高分子半导体材料及其在有机场效应晶体管和有机太阳能电池中的应用,并实现了突出的器件性能(Chem. Rev. 2014, 114, 8943-9021)。

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    双噻吩酰亚胺是一个重要的梯状有机半导体构建单体, 前期工作中郭旭岗以双噻吩酰亚胺为单体成功构建一系列高性能有机半导体材料(Nature Photonics, 2013, 7, 825-833; J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1405-1418; J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18427-18439; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 12565-12579; Adv. Mater. 2012, 24, 2242-2248)。 郭旭岗课题组结合梯状有机半导体的优势,对双噻吩酰亚胺进行了拓展,合成了一系列具有可调控共轭长度的梯状n-型有机半导体材料。这一系列材料具有精确的化学结构、易溶液加工、高共面性、良好的结晶度、可调控的光电性质及半导体能级结构。当用于有机场效应晶体管中实现优异的n-型半导体器件性能, 电子迁移率达到0.05 cm2 V-1 s-1。这一系列材料为基础的物理化学性质研究和高性能的有机半导体开发提供了良好的平台。

    图1 二并苝酰亚胺衍生物的合成和吸收光谱图

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    图 2. 梯状n-型有机半导体材料的化学结构和场效应晶体管器件性能曲线

    图2 硫杂苝分子结构,晶体堆积图和微纳晶场效应管转移输出曲线

    郭旭岗课题组博士后王英锋和高级研究学者郭晗博士为该论文的共同第一作者,本科生凌少华参与了部分材料合成工作。材料计算和光谱性质研究由西班牙马拉加大学Rocio Ponce Ortiz博士完成。该项研究得到了国家自然科学基金,深圳市孔雀团队和深圳市重点实验室等项目支持。

    有机固体院重点实验室

    论文连接:

    2008年2月18日

    封面连接:

    供稿:材料系

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