噻吩醌式n-型有机半导体材料

N-channel organic semiconductors are the base of organic logic circuits. Currently, the development of n-channel organic semiconductors are largely lagged behind that of p-channel ones, and high performance n-channel organic semiconductors are rare. The absence of high performance n-channel organic semiconductors has become the bottleneck of organic transistors. The discovery of high-performance, solution-processable and ambient-stable n-channel organic semiconductors is not only crucial for the development of organic transistors, but also helpful to understand the basic scientific questions (such as the relationship between molecular structure and the air stability of transistors) of organic electronics. Based on the literatures and our previous works, we will start our project from design and syntheses new type of n-channel organic semiconductors with lower LUMO energy level and stronger intermolecular interactions and electronic coupling. Considering that quinoidal type compounds exhibit low LUMO energy and thiophene displays strong intermolecular interactions and electronic coupling, we will design and synthesize series of thiophene-based quinoidal compounds in which new conjugated units and new configurations will be adopted. After that thin film and micro/nano-sized single crystal transistors will be fabricated and characterized. Additionally, the basic scientific questions of n-channel organic semiconductors will also be investigated.

n-型有机半导体材料是有机逻辑互补电路应用的基础。目前n-型有机半导体材料的发展远远滞后于p-型有机半导体材料，高性能的n-型有机半导体材料数目还很少。n-型有机半导体材料的缺乏已经成为有机晶体管发展和应用的瓶颈。发展具有高迁移率，可溶液加工，并且器件性能稳定的新型n-型有机半导体材料不仅会极大推进有机晶体管的发展，还会加深我们对n-型有机半导体材料中所存在的如材料分子结构与器件空气稳定性的关系等基本科学问题的理解。本申请在综合文献和申请人以往工作的基础上，从降低材料的LUMO能级，增加分子间相互作用力和电子偶合度等方面入手，借助醌式结构具有低的LUMO能级和噻吩结构单元具有强的分子间相互作用力的特点，采用发展新结构单元，新构型等方法，设计、合成系列新型噻吩类醌式n-型有机半导体材料，构筑其薄膜、微纳单晶器件，测试器件性能，并对n-型有机半导体材料领域的基本科学问题开展研究。

针对n-型有机半导体设计合成困难和高性能n-型有机半导体缺乏的现状，结合醌式分子具有低的LUMO能级的特点，开展了醌式n-型有机半导体的研究，获得了系列高性能、可溶液加工的n-型有机半导体，并对其载流子传输特性和分子结构与器件性能的关系等基本科学问题进行了研究。取得的如下研究成果：.（I）设计合成了系列新型高性能醌式分子，其中基于呋喃/噻吩醌式有机半导体的晶体管器件电子迁移率达7.7cm2/Vs，是目前报道的可溶液加工的最高性能n-型有机晶体管之一，从实验上证实了呋喃/噻吩醌式分子是一类新型高性能n-型有机半导体。.（II）系统研究了烷基链取代位置和分叉点对醌式分子的聚集态堆积和器件性能的影响。实验结果显示烷基链取代位置对醌式分子的性能具有重要影响（其迁移率相差可达1000倍），而烷基分叉点的改变不仅可以提高器件的性能而且可以改变载流子的传输类型。.（III）借助现代分析手段对醌式分子高性能的原因进行了探索，深入研究了醌式分子结构与器件性能的关系。.（IV）设计合成了系列新型高性能噻吩酰亚胺聚合物半导体，并探索了其在有机晶体管和有机太阳能电池中的应用。实验结果证实双噻吩酰亚胺聚合物为多功能化聚合物半导体， 其晶体管器件呈双极性载流子传输特性，电子/空穴迁移率达1.02 /0.33 cm2/Vs, 太阳能电池器件的光电转化效率达6.46 %。