自组装单分子层场效应晶体管的材料合成与器件研究

自组装单分子层场效应晶体管（SAMFETs）是利用有机半导体分子与绝缘层自组装而形成的单分子膜来制备场效应晶体管，能够实现自下而上地组装分子器件，这种自组装技术制备工艺简单，操作方便。本项目设计合成三氯硅烷取代的稠环噻吩衍生物，尝试用溶液自组装加工的方法制备SAMFET器件，稠环并噻吩功能团能够控制分子的空间分布，锚点三氯硅基与绝缘层二氧化硅发生自组装，期望能够得到高度有序的均一单分子薄膜，提高器件性能与空气稳定性；本项目从材料的设计合成-薄膜形貌-器件性能和空气稳定性方面进行综合研究，探索以三氯硅烷取代的稠环并噻吩类自组装半导体材料所需解决的基本科学问题；目标是获得综合性能优良的自组装半导体材料，并总结出材料设计与器件性能关系的规律性认识。

有机场效应晶体管(Organic Field-Effect Transistors, 简称OFETs)是半导体有机电子学中重要的单元器件。尽管目前性能优良且空气稳定性好的有机半导体材料已经有很多，但是如何实现用低成本的液相成膜技术来制备晶体管, 从而能够推动有机晶体管的实用化进程是摆在我们面前的实际问题。基于上述国内外已有的工作基础，在本项目中取得的主要成果如下：我们设计合成具有三氯硅烷取代的稠环噻吩衍生物，稠环并噻吩是富电子结构，具备较高的空穴传输能力，可以通过分子间的S---S相互作用形成空间网络结构，提高载流子传输性能；苯封端或者苯乙烯封端的稠环类小分子材料不仅能够提高迁移率，而且很高的空气稳定性。采用锚基三氯硅烷修饰绝缘层SiO2表面,生成一头带着稠环共轭结构的长链烷基团的Si—O—Si结构的附着体;苯并二噻吩是一种噻吩与β位偶合的并二噻吩化合物，至今还没有应用于场效应晶体管半导体材料中，我们利用简单的两步法合成苯并二噻吩，方法简单，产率较高。并以苯，四氟苯，乙烯基为核，苯并二噻吩封端的一系列共轭的有机半导体材料。改变中间核，研究苯并二噻吩类有机半导体材料物理性质，并应用于OFET研究，研究表明这系列材料具有很好的场效应性能，最高迁移率达到0.464 cm2/(V•s)，开关比为107;有机太阳能电池中使用的电子受体材料主要是富勒烯C60衍生物PCBM，但PCBM 在可见光区吸收很弱。设计合成了一系列以三苯胺与苯并噻吩为构建单元D-A结构的含氟苝酰亚胺化合物，D-A型分子由给电子单元和受电子单元交替构成时，可以使它们之间的单键的电子发生偏移，使之具有部分双键特征，可以达到红移吸收光谱降低聚合物带隙的目的，并分别以聚（3-己基噻吩）和含呋喃聚合物的给体材料制备了有机光伏电池，最高光光电转换效率为0.76%。