新型小分子有机半导体材料的设计、合成及其场效应性能研究

Organic semiconductors and their field-effect transistors (OFETs) have become an frontier research area due to their unique properties and potential applications. It is an important object to obtain organic semiconductors with excellent comprehensive properties, to prepare n-type and ambipolar OFET devices with high performance, to investigate the transport mechanism of charge carriers. Therefore, this project aims at the design and synthesis of novel conjugated organic molecules for the development of novel molecular system with high electron mobility and high stability in air. The purpose of the project is to obtain excellent OFET devices based on the breakthrough of device fabrication technique. We will systematically investigate the tunable growth of organic micro/nano single crystal with high performance, and improve the preparation technique of micro/nano single crystal OFET devices. Furthermore, we will intensively investigate the transport mechanism of charge carriers especially the relationship between molecular structure, aggregation structure and transport properties of charge carriers. The goal of this project is to discover new rules for the design of novel organic semiconductors with extinguishing properties in FET devices and achieve distinguished innovative results with intellectual properties, which are of importance to both scientific research and potential industrial applications.

有机半导体及其场效应晶体管(OFET)具有许多优点和潜在的应用前景，已成为一个前沿研究领域。获得综合性能优良的有机半导体、制备高性能的n-型和双极性OFET器件及探索载流子传输机理已成为该研究领域中重要课题。因此，本申请拟设计、合成新型有机共轭化合物，发展新的分子体系，希望获得空气中稳定的高电子迁移率的有机半导体材料；在器件制备工艺上取得突破，制备高性能的OFET器件；探索高质量有机微纳单晶的可控生长，完善微纳单晶OFET器件的制备技术，深入研究载流子传输机制，注重分子结构、聚集态结构和载流子传输性能关系的研究，希望发现新的规律，指导研究半导体材料的设计，并取得一批具有自主知识产权的创新性研究成果。该研究具有重要的科学意义和潜在的应用前景。

以获得高迁移率的有机半导体材料为研究目标，我们开展了系统的研究工作，得到了如下研究成果：1）设计、合成了系列新型有机半导体材料，包括基于二芳基乙烯的π-共轭分子材料、含有氰基的π-共轭分子材料和基于氮杂异靛蓝衍生物的π-共轭分子材料等。开展了“共轭分子骨架工程”的研究工作，在共轭分子中引入氮原子或强吸电子的氰基，降低了LUMO能级和提高电子迁移率；同时借助引入氟原子所形成的构象锁增大分子的共平面性和加强分子间作用力，得到n-型或双极性有机半导体材料。2）制备了有机场效应晶体管（OFET）器件，对金属源漏电极和绝缘层表面进行了有效修饰，用来降低金属电极与有机半导体层之间的接触电阻，并改善有机半导体在绝缘层表面的成膜特性和减少绝缘层表面的陷阱密度，获得了高性能的OFET器件，最高电子迁移率超过7 cm2 V−1 s−1。3）培养了单晶并制备了有序的有机半导体薄膜，分析了分子的堆积方式及分子间相互作用力，对分子结构、聚集态结构与载流子传输性能的内在关联进行了深入探讨。项目执行期间发表SCI论文共15篇，申请中国发明专利6项，其中获授权2项。