n型/双极性三层酞菁稀土配合物的设计合成及其电输运特性研究

Due to the wide applications in organic photovoltaic cells, organic light-emitting diodes, and organic transistors, n-type/ambipolar organic semiconductor materials with high charge carrier mobility and excellent ambient stability have attracted increasing research interest in the field of optoelectronic devices. This proposal aims to study the solution-processed tris-(phthalcocyaninato) rare earth triple-decker complexes [RE2(Pc)3] for device application. We will design and synthesize the n-type/ambipolar tris(phthalocyaninato) rare earth semiconductor materials by introducing perfluoro electron-withdrawing groups, to tailor both LUMO and HOMO energy levels. In addition, based on highly ordered supramolecular structural films that are prepared by the multiple solution techniques via controlling the molecular alignment or the thickness of film on the treated substrate, high-performance organic field-effect transistors (OFET) will be fabricated. The effect of molecular energy level and the molecular alignment on the mobility and ambient stability of OFET devices will be revealed by studying the molecular structure as well as synthetic methodology. The potential objective of this project will not only facilitate the development and utilization of novel semiconductor materials, but also lay the foundations for fabricating new OFET devices with high charge carrier mobility and excellent ambient stability.

由于在有机太阳能电池、有机发光二极管以及有机晶体管等光电子器件中的广泛应用，具有高迁移率和环境稳定性的n型/双极性有机半导体材料逐渐成为半导体电子学新的研究热点。本项目拟以可溶剂处理的三层酞菁稀土配合物[RE2(Pc)3]为主要研究对象，通过含氟吸电子基团的修饰，实现对目标分子LUMO和HOMO能级的调控，达到设计合成可溶剂处理的n型/双极性三层酞菁稀土配合物半导体材料的目的。在此基础上，基于多种溶液成膜技术，通过控制处理过的基底表面分子排列取向和薄膜厚度，制备具有高度有序超分子结构的薄膜层，进而构筑具有高性能的有机场效应晶体管器件。本项目拟从分子结构功能设计和有序超分子结构控制两方面，深刻揭示分子能级改变以及排列取向对场效应器件载流子迁移率和环境稳定性的影响。本项目的开展，将有助于促进新型n型/双极性有机半导体材料的开发和应用，为研制出高迁移率且环境稳定的OFET器件奠定基础。

有机半导体功能分子的电输运特性主要与其本身的HOMO-LUMO能级范围、自组装薄膜形态以及组装体内分子堆积方式密切相关。本项目从设计合成具有N型/双极型电输运特性的新型有机半导体功能分子的角度出发，以酞菁类分子为主体大环共轭模块，通过强电负性取代基团（含氟类取代基为主）的引入，实现对酞菁类功能配合物分子HOMO-LUMO能级的调控。利用大环分子间较强的π-π共轭作用以及其他弱相互作用力，借助一些简单易操作的可溶剂化处理自组装方法，在修饰过的基底表面实现有序功能分子堆积的单层薄膜可控制备。主要研究吸电子取代基团对有机半导体分子HOMO-LUMO能级的影响，可溶剂化操作条件下有序自组装薄膜的形成机理。通过构筑相应的有机场效应器件，系统研究了功能分子结构、自组装薄膜有序性及有机半导体分子电输运性质三者间的相互关系。所得到的重要结果有：(1) 合成几种具有N型/双极型含氟类取代基的酞菁类功能配合物分子，研究了取代基团的引入对酞菁功能分子HOMO-LUMO能级以及可溶剂化操作性的影响。（2）基于可溶剂化处理自组装方法，实现了功能分子有序排列的微纳米薄膜结构制备，研究了功能分子有序自组装薄膜结构的形成过程与机理。(3)基于底栅-顶接触场效应器件模式，构筑了具有N型/双极性电输运特性的含氟类取代的酞菁基有机半导体分子器件，研究了含氟取代酞菁类功能配合物的分子结构设计对有序自组装薄膜内部分子堆积方式以及有机场效应器件性能的影响。