窄带隙梯形和盘状共轭大分子材料的设计、合成与性能研究

This proposed project intends to design, synthesize and study a class of low-bandgap, ladder-type and disc-like conjugated large molecules especially with a spectral response in the near-infrared region. The objective of research is to obtain a series of processable large molecules having a maximal absorption over 1000 nm, good near-infrared spectral response and high carrier mobility, by using large-sized, electron-accepting molecules as a core, by incorporating the electron-donating groups into the core and by utilizing the electron/charge transfer effects. Using the transistor and photodetector devices, we will further study the correlation between the structure of these large molecules in their condensed state and optoelectronic properties, in order to guide the molecular design, device work and property optimization. This project addresses some scientific issues associated with near-infrared organic materials such as low mobility and low photon-electron conversion efficiency.

本项目拟开展窄带隙梯形和盘状的、特别是光谱响应波长范围在近红外光区的共轭大分子的设计、可控合成以及性能调控等方面的研究工作。以大尺寸的电子受体分子为核心，利用共轭效应和电子效应的协同作用，引入电子给体基团，从而获得最大吸收波长在1000 纳米以上、具有近红外光响应、加工性能优异、载流子迁移率高的系列有机大分子。将这些大分子化合物作为活性层材料，制备晶体管器件和光伏型光探测器器件，研究这两类具有不同拓扑结构的大共轭分子光电性能与其分子结构、聚集态结构之间的可调控关系，进而指导该类材料的分子结构设计、器件制备以及性能优化。通过本项目的研究，有助于解决有机光电材料特别是近红外光电材料载流子迁移率低、光电转换效率低等问题。

光谱响应波段在近红外光区的共轭大分子，在全光探测、保密显示、红外滤光等领域具有独特的应用前景，是有机光电材料领域的一个重要研究方向。为了获得该类窄带隙的共轭聚合物材料，需要综合应用共轭效应、电子效应以及金属配位效应，为了深入探讨分子结构中具有梯形以及盘状结构的共轭聚合物材料分子结构与材料和器件性能之间的关系，开展了本项目的研究工作，取得的主要成果如下： . 以噻吩异靛蓝和吡咯并吡咯二酮为受体单元，以盘状的苯并三噻吩和二噻吩并苯并三噻吩或梯形结构的引达省并二噻吩、二噻吩并引达省并二噻吩为给体单元，设计合成了一系列给体单元尺寸和共轭长度不同、给电子能力不同的给体聚合物，研究了给体单元尺寸和共轭长度对聚合物和器性能的影响，结果发现，给体单元尺寸和共轭长度增加可以提高聚合物的分子平面性，增强分子间相互作用力，降低分子π-π堆积距离，在器件中则表现为随给体单元尺寸和共轭长度的增加，器件的光伏性能明显提高，暗电流大幅下降。获得了响应光谱范围达到300-1600 nm的光电探测器，最高归一化探测率超过1E12 Jones，且有效响应光谱范围内的归一化探测率都超过1E10 Jones，是目前为数不多的响应光谱超过1200 nm的器件之一。. 将硫代双烯配合物引入到梯形共轭聚合物的分子结构中，利用多层次的电荷转移吸收特征，获得了一类吸收波长可以覆盖800 nm-25 um的波段范围，且在可见光区吸收非常弱的宽谱红外吸收材料。由其制备的红外滤光片可以实现90%以上的红外光滤过性能。并且，该类材料具有良好的电致变色稳定性。. 通过层层组装的方式将获得了机械引发的固态可见-近红外化学发光多层结构。多层薄膜可以稳定储存数月，经触发后，可持续发光33 min以上。该结构可以通过多种技术手段对多层薄膜结构进行图案化，得到了彩色和近红外的化学发光显示器件，在保密显示等领域具有较大的应用前景。. 经过该项目的研究，累计发表科研论文24篇，其中SCI论文22篇，中文核心期刊2篇，培养了6名博士研究生。