多元有机电荷转移盐单晶的可控生长及结构-电输运性能关系研究

The physical properties, such as optical, electrical and magnetic properties, can be efficiently adjusted by multinary organic charge transfer compounds. Thus, the multinary organic charge transfer compounds have great potential for the application of electrical devices, optoelectronic devices and chiral separation. However, controllable synthesis of high quality, large size multinary organic charge transfer compounds still limit the fundamental research and application development. In this project, we propose a step by step sublimation based chemical vapor transport growth method to control growth multinary organic charge transfer compounds single crystals and investigate the charge transport properties and the relationship between structure and properties. According to the energy level matching principle, appropriate organic donor and acceptor molecules are selected to grow multinary organic charge transfer compounds single crystals. By systematically adjusting the growth parameters and analyzing the thermodynamics and dynamics growth mechanism, high quality, large size and stoichiometry controlled multinary organic charge transfer compounds single crystals will be grown. Using the synthesized multinary organic charge transfer compounds single crystals as the active layer, organic single crystal field effect transistor will be fabricated. By adjusting the type, stoichiometry of donor and acceptor in multinary organic charge transfer compounds, high ambipolar mobility properties is hoped. Furthermore, the relationship between crystal structures and high ambipolar mobility properties will be investigated. Meanwhile, the research will promote the development of multinary organic charge transfer compounds in fundamental research and application development.

多元有机电荷转移盐能够有效地调节有机半导体的光、电、磁等性质，使其在电子、光电子器件、手性分离等领域有巨大的潜在应用。然而如何可控生长大体积、高质量的多元有机电荷转移盐单晶是制约该材料基础研究和应用开发的难题。本项目结合化学气相输运法（CVT）和分段控制升华技术生长有机单晶的优势，根据能级匹配原则，筛选出合适的有机给体受体，提出基于升华分段控制的CVT法生长多元有机电荷转移盐单晶并对所生长单晶的电输运性质进行研究。通过对生长参数的系统研究和晶体生长热/动力学分析，发展大体积、高质量的多元有机电荷转移盐单晶生长新技术；采用有机单晶场效应晶体管技术，通过改变多元有机电荷转移盐单晶组分、化学计量比及器件制作工艺，获得具有高载流子迁移率的双极性多元有机电荷转移盐材料，并研究其单晶中各组分和化学计量比与载流子迁移率和双极性之间的对应关系。本项目研究将加快多元有机电和转移盐的基础和应用研究步伐。

在国家自然科学基金委员会的支持下，在过去的三年里，胡鹏教授研究小组按照“多元有机电荷转移盐单晶的可控生长及结构-电输运性能关系研究”项目申请书所提出的研究任务，主要基于有机电荷转移盐单晶及其相关给、受体的制备与性能研究开展了以下几个方面的研究工作：（1）开发了一种简单、无溶剂、无环境污染合成方案，成功大规模制备了四硫并四苯（TTT）和六硫并五苯（HTP）单晶，研究了并苯硫化物的锂离子电池性能，由于HTP中三硫键的离子键状态，锂离子的嵌入和脱出的能垒被大大降低，从而使得HTP的锂离子循环性能得到提升，因此，多芳环上的三硫键可以作为下一步分子设计的基础。（2）制备了12种二元有机电荷转移盐和8种三元有机电荷转移盐单晶，利用“积木堆积”的策略，制备了1种四元有机电荷转移盐单晶，其中有10个单晶是未被报道的新晶体。分子间弱相互作用（C-H‧‧‧X（X=F，Cl，N，O）相互作用，Π-Π相互作用）对共晶体中电荷转移度（DCT）的影响显著。不仅如此，这些弱相互作用可以有效提高材料的迁移率，因此可以通过提高分子的堆积密度，增强分子间相互作用，从而达到提高迁移率的目的。通过控制给体种类，可以调节有机电荷转移盐的载流子类型。（3）总结了获得高迁移率有机场效应晶体管材料与器件的影响因素。（4）部分有机电荷转移盐单晶展现出良好的荧光性质及快速、宽光谱光电响应特性。.在本项目的支持下，共发表高水平学术论文9篇，申请国家发明专利1项，获批陕西省“青年千人”人才计划项目一项，培养硕士研究生4名，本科生12名。无论从项目的执行过程，项目的成果产出，还是从项目的人才培养情况来看，本项目都较为圆满的完成了预定的研究任务。