高性能、稳定、易加工的n-型有机半导体材料的合成及性能研究

近年来，有机薄膜晶体管（OTFT）因其在柔性电子领域广阔的应用前景，成为有机电子学中的研究热点。本项目针对OTFT发展的瓶颈问题- - 缺乏高性能、稳定、易加工的n-型有机半导体材料及相关理论认识，在申请人前期工作的基础上，以2-(1,3-二硫-2-亚基)丙二氰稠合的萘二酰亚胺（NDI-DTYM2）的共轭骨架为基本结构单元，运用自组装、醇溶性、原子转移自由基聚合、原位光照交联聚合、亲水-疏水作用等思想和方法，设计、合成新的可溶液加工的n-型有机小分子和聚合物半导体材料，用甩膜、打印、LB膜技术等方法制备其OTFT器件，研究材料的分子及聚集态结构与器件性能之间的关系，探索影响n-型有机半导体材料OTFT器件性能/稳定性的关键因素，为n-型有机半导体材料的研发提供研究思路，筛选出高电子迁移率、稳定、易加工的n-型有机半导体材料与器件，为OTFT及有机互补电路的应用奠定研究基础。

近年来，有机薄膜晶体管（OTFT）因其在柔性电子领域广阔的应用前景，成为有机电子学中的研究热点。本项目针对OTFT发展的瓶颈问题“缺乏高性能、稳定、易加工的n-型有机半导体材料及相关理论认识”开展研究工作，取得了一系列创新性的研究成果：发展了高性能n-型有机半导体材料NDI-DTYM2及其关键中间体的简捷、高效合成方法；揭示了N-取代基结构调控NDI-DTYM2器件性能的规律，并获得了电子迁移率高达3.5 cm2 V-1 s-1的NDI-DTYM2分子材料，为n-型有机半导体材料的发展提供了新思路；制备了n-型分子材料NDI-DTYM2的有机超薄膜，该超薄膜OTFT器件显示出高的电子迁移率和对氨气良好传感效果，拓展了n-型分子材料的多功能应用；发展了新型大π电子受体分子骨架NDI-DTYA2，并成功合成了基于NDI-DTYA2的高性能n-型聚合物半导体材料，其OTFT器件电子迁移率可达0.38 cm2 V-1 s-1，展示了NDI-DTYA2在构筑新型有机半导体材料中的潜力；设计合成与已有高性能n-型有机半导体材料NDI-DTYM2和P(1,4,5,8-NDI-T2)的共轭骨架“结构异构”的新型分子材料TCDBTTF-DI和P(1,2,5,6-NDI-T2)，研究表明：分子骨架结构异构的分子材料具有不同的HOMO/LUMO轨道能级及光学带隙，表现出不同的载流子传输行为，为新型有机半导体材料的设计提供了思路。本项目在系统研究的基础上总结提出了“通过在缺电子的NDI芳核上稠合富电子的硫杂环，并结合拉电子基团封端、长分支N-烷基促溶的分子设计策略，发展高性能、稳定、易加工的n-型有机半导体材料的思想”（J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 3099.），获得了系列高性能、稳定、易加工的n-型有机半导体材料，发表论文15篇（其中J. Am. Chem. Soc. 1篇，Adv. Mater. 2篇），单篇最高他引110次，形成了特色的n-型材料分子体系，引起国内外同行的关注。本项目的研究结果为发展高性能、稳定、易加工的n-型有机半导体材料奠定了研究基础，提供了研究思路。