新型四硫富瓦烯类有机半导体材料的合成及性能研究

近年来，用有机半导体材料制备的有机场效应晶体管（OFET）因其在柔性电子领域广阔的应用前景，成为有机电子学中的研究热点。四硫富瓦烯（TTF）及其衍生物具有有利于载流子传输的固态结构，有望成为优良的有机半导体材料。本项目设计、合成新型的TTF类有机半导体材料，并将其应用于OFET的研究。克服文献报道的TTF单元给电子能力强等作为好的有机半导体材料的缺点；采用在TTF共轭骨架上引入拉电子基团、高氟硫代烷基、柔性助溶基团等方法，得到平面共轭、可溶、成膜性良好、给电子能力适中的新型TTF衍生物，用溶液加工的方法制备其高性能的OFET薄膜器件；从分子材料的设计合成- - 分子及分子聚集态结构- - OFET器件性能等方面进行综合研究，探索TTF衍生物作为好的有机半导体材料所需解决的基本科学问题；目标是获得综合性能优良的TTF类有机半导体材料与器件，并总结出一些规律性认识。

有机半导体材料是有机电子器件的关键组分，成为有机电子学的研究热点。四硫富瓦烯（TTF）是一类富硫的共轭分子，因其1,3-二硫-2-叶立德烯单元在固态结构中易于形成强的分子间π-π和S-S作用，具有优异的载流子传输性能，广泛应用在有机导体和超导体的研究中。近年来，TTF作为有机半导体的应用备受关注，然而其较强的给电子能力使其难以成为好的半导体材料，作为电子传输的材料则更为困难。我们针对这一科学问题，进行了创新性的分子设计，利用TTF中1,3-二硫-2-叶立德烯单元有利于载流子传输的优点，克服1,3-二硫-2-叶立德烯结构给电子能力强的缺点，将1,3-二硫-2-叶立德烯单元引入到缺电子的萘二酰亚胺（NDI）芳核上，得到一系列1,3-二硫-2-叶立德烯稠合萘二酰亚胺衍生物（新型TTF类似物），其中，2-（1,3-二硫-2-叶立德烯）丙二氰稠合的萘二酰亚胺化合物（NDI-DTYM2）具有优异的电子传输性能，其溶液法成膜的有机薄膜晶体管（OTFT）空气中测试的性能高达3.5 cm2 V1 s1，是目前最优的n-型有机小分子半导体材料。另外，我们设计合成了四氰基取代的二苯并TTF二酰亚胺化合物，研究表明此类化合物有望成为好的双极性有机半导体材料。本项目提出了在缺电子的萘二酰亚胺芳核上稠合富电子的1,3-二硫-2-叶立德烯，并结合拉电子基团封端、长分支N-烷基促溶的策略来设计高性能、稳定、易加工的n-型有机半导体材料的方法，该分子设计策略不同于以往直接在缺电子的芳核上引入拉电子基团或单一采用给体（Donor）-受体（Acceptor）结构来设计n-型有机半导体材料的方法，不但合成出了高性能、稳定、可溶液加工的n-型有机半导体材料，也为新的n-型有机半导体材料的研发提供了思路。