基于异靛蓝结构的稠环化合物合成及其场效应晶体管性能研究

Isoindigo is an electron-deficient heterocyclic conjugated unit, which received a wide attention in the field of polymer field-effect transistors and polymer solar cells recently. However, the short π-conjugate length and the high LUMO level of isoindigo core structure became the key problems which limit its application as small molecule materials for high performance p-type and stable n-type field effect transistors. In this project, the applicant intends to extend π-conjugate length of isoindigo by fusing more aromatic rings to the core structure, which we anticipate will promote better intra-molecular charge transfer process, and enhance the π-π interaction between adjacent molecules, therefore increase the transfer integral and improve the carrier mobility. On the other hand, the applicant intends to introduce of strong electron-withdrawing groups such as cyano group to bithiophene-fused isoindigo to improving its n-type performance by decreasing LUMO levels and improving the stability in the electronic transmission process. The OFET devices of these small molecular materials based on fused-isoindigo structure will be constructed using solution-processible devices, and the influence of the fused aromatic rings and the electron-withdrawing groups on the isoindigo skeleton on the overall OFET performance will be investigated and evaluated. This project will enrich the isoindigo synthesis and provide new thoughts for better field-effect transistor materials.

异靛蓝是一种缺电子的杂环共轭单元，在高分子结构的有机场效应晶体管、有机太阳能电池领域，已体现出极大的优势。但是，其自身π共轭体系较短及LUMO能级偏高的缺陷，成为了限制其在小分子场效应晶体管材料的应用以及n型场效应晶体管材料性能的进一步提升的瓶颈问题。为解决这两个关键的科学问题，本课题首先拟引入不同的并环结构，延长异靛蓝的π共轭体系，探索是否能有效地提高异靛蓝类小分子化合物的场效应晶体管性能；其次，拟引入多个吸电子的氰基基团，降低材料的LUMO能级，探索是否能进一步提升异靛蓝类小分子化合物的n型场效应晶体管性能。并通过构建小分子场效应晶体管器件，探明稠环分子骨架和吸电子基团的引入对材料晶体管性能的影响，总结影响该类化合物的结构-性能的规律性因素。本项目的开展将丰富异靛蓝衍生物的合成化学，为获得新型高效场效应晶体管材料提供新思路。

异靛蓝是一种缺电子的杂环共轭单元，在高分子结构的有机场效应晶体管、有机太阳能电池领域，已体现出极大的优势。但是，其自身π共轭体系较短及LUMO能级偏高的缺陷，成为了限制其在场效应晶体管材料的应用以及材料性能的进一步提升的瓶颈问题。为解决这两个关键的科学问题，本项目引入不同的并环结构，改造异靛蓝的π共轭体系，共发展了多种合成异靛蓝衍生物的新方法，合成了二苯并噻吩并异靛蓝、二苯并呋喃并异靛蓝、二噻吩并异靛蓝、二氢二苯并吡嗪异靛蓝、噻唑异靛蓝以及二苯并萘啶二酮6种异靛蓝衍生化结构，并以噻吩并异靛蓝和二苯并萘啶二酮为核心受体单元合成了13种共轭聚合物。. 通过构建有机半导体器件研究该类化合物的结构-性能变化的规律性因素，发现拓展并环结构有利于提高以异靛蓝为核心的有机场效应晶体管的性能，但引入强的吸电子取代基会导致异靛蓝为核心结构的分子LUMO能级过低，易于被水等亲核试剂进攻，不稳定，而不利于其在有机场效应晶体管方面的应用。. 共筛选出4种性能优良的p型场效应晶体管材料；1种性能优良的n型场效应晶体管材料；4种性能优良的双极性场效应晶体管材料，最高的空穴和电子迁移率都超过了0.1 cm2V-1s-1；还筛选出3种性能优良的超宽带隙太阳能电池活性层材料，创造和保持了光学带隙大于2.2 eV的太阳能电池活性层材料的光电转化效率最高值。. 本项目的开展丰富了异靛蓝衍生物的合成化学，为获得新型高效有机半导体材料提供新思路。