基于并三噻吩的高迁移率有机半导体研究

Organic field-effect transistors have potential application in low-cost and large-area flexible electronics, but the low mobility is a key factor of limiting their improvements. Compared to inorganic semiconductors, organic semiconductors are coalesced with weak intermolecular interactions. So it may be an effective way to improve the mobility of organic semiconductors by strengthening the intermolecular interactions. In the derivatives of dithienothiophenes, there exist several kinds of intermolecular interactions. Furthermore, dithienothiophene has six isomerides. The reported derivatives of two isomers of dithienothiophenes, dithieno[2,3-b:3',2'-d]thiophene and dithieno[3,2-b:2',3'-d]thiophene have presented high field effect mobility. In this project, we fouce on the properties of organic filed-effect transistors based on the other four isomerides of dithienothiophenes. The project is separated into four aspects to investigate the effect of S atoms position on: 1) the intermolecular interaction and the molecular arrangement; 2) the habits of films growth; 3) the energy levels; 4) the field effect mobility and devices stability. We wish this project can benefit for revealing the relationships between the material structures and the intermolecular interaction, and the field effect mobility and stability of the devices, and providing academic basis and application materials.

有机场效应晶体管在低成本、可大面积加工的柔性电子产品中具有潜在的应用前景，但迁移率较低一直是制约其发展的瓶颈。同无机半导体相比，有机半导体分子是通过弱的分子间作用力结合在一起的，因此增强分子间作用力可能是提高有机半导体迁移率的一个有效的途径。在并三噻吩衍生物中存在多种分子间作用力，并且并三噻吩有六种同分异构体，其中硫原子同在一侧和不同侧的两种同分异构体的衍生物都表现出较高的迁移率。本项目旨在研究并三噻吩体系中剩余的四种同分异构体衍生物的场效应性能，主要考察硫原子在不同位置时:1)对分子间作用力和分子堆积方式的影响规律；2）对材料薄膜生长习性的影响，3）对材料能级的影响；4）对材料的场效应迁移率和稳定性的影响，希望该项目的实施能够揭示材料的化学结构与其分子间作用力和器件的迁移率和稳定性之间的内在联系和规律，为探寻高迁移率有机半导体材料提供理论依据和应用素材。

有机场效应晶体管在低成本、可大面积加工的柔性电子产品中具有潜在的应用前景，但迁移率较低一直是制约其发展的瓶颈。同无机半导体相比，有机半导体分子是通过弱的分子间作用力结合在一起的，因此增强分子间作用力可能是提高有机半导体迁移率的一个有效的途径。在并噻吩衍生物中，由于S原子较高的富集度和极化度，更容易形成多重的S-C及S-π分子间作用力。本项目主要以并三噻吩六种同分异构体为研究对象，共设计合成了58个化合物。对这些合成的材料，我们主要从S原子位置不同、取代基团不同这两个方面对材料的光电性能进行了研究。研究发现：1）S原子的位置对分子的共轭程度和分子间作用力的表现形成起着决定性作用，从而影响材料的光学性质和迁移率；2）取代基团同样对分子的共轭程度和分子间作用力有影响，但不是决定性的因素；3）S-C、S-π以及S-S分子间作用力的存在确实可以提高材料的迁移率。其中S原子位置不同对材料性能的影响主要表现为：1）S原子的位置决定着其参与分子共轭的程度。当S原子参与材料分子共轭时，会使得材料分子的单双键交替共轭被打破，形成以S原子为桥连的共轭方式，且S原子参与分子共轭的程度越大，越有利于材料迁移率的提高；2）S原子的位置决定着分子间作用力的表现形式和大小。随着S原子位置的改变，分子间作用力可以从单重的S-C或者S-S相互作用变为多重的S-C/S-π相互作用）；3）当S-S分子间作用力的方向与材料分子π-π堆积方向一致时，不利于载流子的传输，但有利于降低器件的阈值电压。本项目的顺利实施丰富了有机半导体材料的种类，为探寻高迁移率有机半导体材料提供理论依据和应用素材，同时为研究有机半导体材料的分子结构与其性能之间的内在联系和规律提供了理论基础和依据，为深入研究有机半导体材料的载流子输运机制提供了一个以分子间作用力为蓝本的新的研究角度。