环状共轭有机半导体材料的设计、合成及其光电性质研究

Design and synthesis of novel organic semiconductor materials with outstanding optoelectrical properties is particularly important for the study of organic optoelectronic devices. Current research interests in organic semiconductors mainly focus on the linear conjugated oligomers and polymers, the application of conjugated macrocycles as components of electronic device is not well explored. Conjugated macrocycles exhibit significantly different optoelectronic properties from their linear counterparts and high crystallinity, which offered by the characteristic rigid structure of cyclic conjugation, provide an efficient way to tune the frontier molecular orbital energy levels and improve the active layer morphology of devices. This project intends to design and synthesize a series of conjugated macrocycles bearing different electron donor/acceptor subunits. We aim to: (1) develop an effective method for the large-scale synthesis of conjugated macrocycles; (2) study the correlation between molecular structures and optoelectronic properties; and (3) investigate the 1D, 2D and 3D molecular packing structures in the crystal states as well as the thin film morphology of the target macrocycles, this may provide a new way to tune the active layer morphology of devices. We expect to obtain some low band-gap materials for the fabrication of Organic Field Effect Transistor (OFET) or Organic Solar Cell (OSC) devices.

设计和合成光电性能良好的新型有机半导体材料在有机光电器件的研究中具有非常重要的意义。目前国内外研究与应用非常广泛的有机半导体材料主要是以线型的共轭小分子和高分子聚合物为主，而环状共轭化合物由于缺少有效的大量合成的方法，在有机光电器件领域的应用研究较少。环状共轭特有的刚性结构使其具有与其线型异构体显著不同的光电性质，且显示更好的结晶性，为有效地调控有机半导体材料的前线分子轨道能级及光电器件活化层材料的形态提供了一个重要思路。本项目拟设计合成一系列含有不同给电子和吸电子单元的环状共轭化合物，发展一种有效的环状共轭化合物大量合成的方法；研究其光电性质与分子结构的关系；通过考察目标化合物在晶体状态下的一维、二维及三维结构及制成薄膜后的分子空间堆积结构，探索一种调控光电器件活化层材料形态的新方法。筛选出一些具有低能隙带的化合物并研究其在有机场效应晶体管或有机太阳能电池等领域的应用。

合成了四个新型环状共轭化合物（M-1, M-2, M-3, M-4），考察了不同给电子单元对目标化合物光电性质的影响，通过同时引入给电子与吸电子单元，获得了光电性质与线型结构不同的低能隙带化合物M-4。调整项目研究内容后，我们设计和合成了一系列并五苯衍生物，用于分子内单线态裂分研究，首次在膜相条件下观察到自由、长寿命的三线态，为基于分子内单线态裂分的有机太阳能电池研究提供了新思路。此外，以A-4为基础单元，合成了一系列苝二酰亚胺类衍生物，为发展高效的非富勒烯太阳能电池提供了材料基础。在本项目的协同资助下，发表SCI论文7篇，培养研究生8名，其中一名已取得硕士学位，2名提前攻读博士学位。