n型稠杂环芳烃有机半导体及其场效应晶体管应用

This project aims at high performance organic field effect transistors (OFETs) fabrication, and focus on the key scientific issue of ‘the intrinsic mechanism for high efficient electron transport in n-type organic semiconductors’, with the study chain of ‘design and preparation of organic semiconductors—characterization of their photo-physical and thermal properties—device fabrication and optimization’ as the main research line, then to develop the new material system of Polycyclic Heteroaromatic Hydrocarbon (PHAH). The intrinsic mechanism of high electron transporting devices would be deeply studied, and the device fabrication technique would be improved as well. In this project, we are going to start from the creativity of organic semiconductors, and focus on the novel n-type NDI-based PHAH semiconductors. With the preparation of the PHAH material with 1D/2D structure through ‘shoulder extension’ and ‘head extension’, we will strive to make a breakthrough in fabrication of high performance OFETs devices with high electron mobility and good air stability.

本项目以“制备高性能有机场效应晶体管”为目标，围绕“n型有机半导体电子高效传输的内在机制”这一关键科学问题，以“有机半导体设计制备—光电热性能表征—器件制作与优化”研究链条为主线，发展有机稠杂环芳烃这一新材料体系，深入研究高电子迁移率器件的内在机制，改善器件制作工艺。本项目拟从材料的创新性出发，重点发展基于萘二酰亚胺的新型n型稠杂环芳烃半导体材料，利用“肩延伸”“头延伸”手段制备具有一维/二维结构的稠杂环芳烃材料，力争在电子迁移率高、空气稳定性好的高性能场效应晶体管器件制备上取得突破。

用于有机场效应晶体管（OFETs）的n型有机半导体研究具有非常重大的意义，高性能的n型有机半导体对制备p-n结和互补逻辑电路至关重要，但是，目前n型有机半导体的基础构建单元很少，且其对空气中的氧气和水很敏感，很不稳定，迁移率也相对较低。如何设计适合n型有机半导体材料，以得到迁移率高、空气稳定性好的高效OFETs器件，是目前材料研究者、化学工作者面对的机遇与挑战。本项目提出基于萘酰亚胺单元，通过延长共轭体系，获得具有一维/二维结构的稠杂环芳烃材料，以获得电子迁移率高、空气稳定性好的n型有机半导体及高性能场效应晶体管器件，现已完成了计划的研究内容，取得的主要成果如下：.1、通过萘酰亚胺和苯并唑单元稠合获得稠环芳烃，并以此为单体和不同的噻吩基单体制备一系列具有二维结构的聚合物，LUMO能级均在-3.65eV左右，且热稳定性优异。通过制备TGBC（顶栅底接触）式的OFET器件及优化，其中，P1表现出远超于其他分子的电子/空穴迁移率（μe = 0.747 cm2 V-1 s-1，μh = 0.190 cm2 V-1 s-1），通过相关理论计算表明P1具有优良的-堆积和高度的分子平面性，F原子的引入对分子堆积有较大助力；2）通过萘酰亚胺的二酮结构和不同的邻二胺结构缩合，获得一系列低LUMO能级的一维结构半导体，LUMO能级低至-4.03 eV。作为n型半导体材料用作电子传输层，制备了钙钛矿太阳能电池器件性质，经过优化器件，能量转换效率（PCE）最高可达16.0%，且稳定性良好。本项目所制备的萘酰亚胺稠环半导体将为高性能n型有机半导体及OFET器件提供良好的理论及技术支撑。共发表论文11篇，申请国家发明专利3件，授权一件。获江苏省科学技术一等奖（排名第三）、教育部科技进步奖二等奖（排名第三）、江苏省教育科学研究成果奖（高校自然科学类）二等奖（排名第二）。培养硕士3名，博士1名。