新型一维、二维并环多烯有机半导体材料设计与场效应晶体管应用

1D/2D polyacene(heteroacene) are a class of organic semiconductor materials with unique physical and chemical properties. The acene chemistry including design and synthesis method attracts very extensive research from industry and academic institution. In this proposal, a series of organic semiconductors based on polyacenes was designed and being studied. Their physical properties, electrochemical properties and molecular packing - assembly behavior would be studied. Hence, their application in solution processed organic field-effect transistors will be studied to enveil the intrinsic relatioinship among material-aggregation behavior-device performance.The most important is to get materials with high mobility, high on/off ratio and high stability. The proposed research on synthesis will also offer new methods to material development..Therefore, this project is not only of great theoretical significance in the organic electronics but also of great commercial prospects.

一维、二维并环多烯是一类具有独特理化性质的有机半导体材料，其设计、合成方法本身具有很重要的研究地位。本项目设计、合成出一系列基于并环多烯（全碳原子或含杂原子）的有机半导体材料；研究这些材料的物理性能、电化学性能和分子堆积-组装行为；应用这些材料以溶液法制作有机场效应晶体管器件，并揭示材料组成结构、聚集态行为对晶体管器件性能的影响；获得具有溶解性好、稳定性好、开关比高等综合性能良好的晶体管器件材料。这类具有平面型多环芳烃的材料的开发在有机合成方面有助于提供更多的有机半导体材料合成设计思路及反应方法；同时，将有助于解决目前溶液法制作的有机场效应晶体管迁移率偏低、开关偏低、工作电压高等问题；加快有机半导体工业化、商业化进程。因此，本项目的研发不仅在有机电子学上有重大的理论意义，而且在应用上同样具有广阔的市场前景。

场效应晶体管( Field-Effect Transistors, FETs)是电路中最主要的开关和放大逻辑单元。有机薄膜晶体管（简称OTFT）的器件效率、稳定性正逐步逼近基于无机材料的MOS晶体管。OFETs以超过0.1~1 cm2/(Vs)的迁移率和超过106的开关比向多晶硅场效应晶体管（>10 cm2/(Vs)）性能靠拢。高效OFETs在平板显示、照明、存储、RFID标签、电子纸媒、传感等领域具有极其广泛的应用。OFETs器件性能的提升，主要依赖有机半导体材料的设计、开发。在所有的具有高迁移率的OFET 材料中，一维或二维稠环（1D/2D Fused acene or heteroacene）材料都表现出了极高的器件迁移率。例如，并五苯（Pentacene）、红荧烯（Rubrene, tetracene 的衍生物）及苝酰亚胺（PDI）类材料等具有极高的迁移率（已超过5 cm2/Vs）。.本项目研究围绕共轭并环多烯类化合物设计、合成及器件应用，发展了一系列的高性能共轭多烯材料，并结合材料特性，对部分材料的应用范围有场效应晶体管领域向有机太阳电池、生物成像、生物传感等领域拓展。.首先，进行合成方法探索：发展了一种碳-碳偶联反应与邻位二炔关环协同发生的共轭体系合成方法；揭示了Stille偶联反应存在的问题及可利用的优势；发展了炔键并环拓展共轭多烯共轭体系的新方法；发现了弱碱活化反应高效催化的C-H活化偶联反应，发现了1,4-芳基迁移的关环反应。.第二，共轭多烯分子体系的材料设计合成：设计合成两大类并四苯衍生物；发展两大类基于噻二唑衍生物的高稳定性、高效场效应晶体管材料(SX系列和ZJ系列)；获得多种基于Cadogan关环反应的共轭并环多烯；发现一类非全共轭的有机半导体材料（2DTTB系列）。. 第三，共轭多烯分子体系的晶体管器件性能：获得5种以上溶液法制备OFET器件，其 迁移率>0.1cm2/(Vs)，开关比>105的共轭多烯材料；应用含杂原子并环多烯于太阳电池，实现接近6%光电转换效率；应用基于多环芳烃有机半导体材料与生物传感，实现长寿命细胞核活体成像。. 第四，项目研究获得的其他启示：利用我们发现的炔键关环反应，可大大增加共轭多烯材料的可设计性；研究所得到的共轭多烯材料可能存在其他特性，例如电子自旋、稳定自由基等，尚待进一步研究。