富勒烯稠合芳酰亚胺分子体系的设计合成与性能研究

The synthesis of novel organic semiconductor molecular materials with unique structure and function is a critical issue in the field of molecular device. Both the fullerenes and rylene imides are "star molecules" in the field of organic electronics, and many excellent organic functional molecules have been developed based on these two building blocks. This project is intended to combine the advantages of two types of molecules, and focuses on the design and precise synthesis of bucky rylene imide derivatives. By rational molecular design, it is proposed to establish a new synthetic strategy and construct mono-fullerene-fused rylene imides, multi-fullerene-fused rylene imides, as well as fullerene-fused rylene imide polymers. We intend to systematically investigate the relationship between structure and properties, and the self-assembly behavior of molecules. In addition, we will explore the application of bucky rylene imides in organic optoelectronic devices, which has important practical significance and potential value.

结构与功能导向的新型有机分子材料的合成是分子器件研究的基础。富勒烯和芳酰亚胺是有机电子学领域的两类明星分子体系，基于这两类结构单元分别发展了许多优异的有机光电功能分子。本项目拟结合两类分子结构和性质的优点，围绕富勒烯稠合芳酰亚胺分子体系的设计与精准合成来开展研究，通过合理的分子设计，建立新的合成策略，构筑单富勒烯稠合芳酰亚胺分子体系、多富勒烯稠合芳酰亚胺分子体系以及富勒烯稠合芳酰亚胺高分子体系，系统地研究结构与性能的构效关系，探索分子的自组装行为，优化筛选出各项性能优异的实用性材料应用于有机光电分子器件，具有重要的研究意义和潜在的应用价值。

分子碳材料作为材料界的璀璨明珠，具有优异的电学、光学、磁学等性能，在能源、环境、电子、生物等领域具有良好的应用潜力。本项目以构筑新型有机分子碳材料为首要研究目标，以高迁移率和高光电转换性能为功能导向，基于富勒烯和苝酰亚胺两类明星分子体系，建立精准高效的合成方法，首次将球形的富勒烯和平面的苝酰亚胺杂化起来，发展了一种新型跨维度的分子碳材料体系，系统地研究结构与性能的构效关系，探索分子的自组装行为，并应用于有机光伏器件和有机场效应晶体管器件中。本项目首先提出了一种高效的合成策略，通过钯催化的环化反应，选择具有椅式和锯齿形不同边缘结构的苝酰亚胺单元作为模型化合物与富勒烯稠合，揭示了边缘结构杂化对分子结构、晶体自组装以及光电性质的影响。进一步对杂化分子体系进行结构修饰，筛选高性能的富勒烯稠合苝酰亚胺分子应用到有机光伏器件中，该类杂化分子材料兼具富勒烯和苝酰亚胺的优异特性，具有在可见光区吸光能力强、溶解性好、加工性能好以及稳定性强等优点，在光伏器件中取得了突破性的光电转化效率，为设计合成新型的受体材料提供了新的思路。以富勒烯稠合二苝酰亚胺为模型体系，纯化分离出两种主要的异构体，并研究其晶体自组装行为以及结构与功能的构效关系。设计合成了苝酰亚胺稠合C70富勒烯的模型化合物α-C70PDI，揭示了α-C70PDI独特的电子传输性质、分子内电荷转移特征以及晶体组装特性。本课题提供了一种模型体系来构建跨维度的富勒烯/纳米石墨烯杂化分子碳材料，通过富勒烯与不同结构的芳酰亚胺分子进行杂化，获得了可调控的电子结构和组装结构，为研究不同维度拓扑结构的新型分子碳材料奠定了基础。