基于芳香稠环单元的有机/高分子半导体材料的设计、合成与性能研究

Organic/polymeric semiconducting materials with high charge carrier mobility are crucial for organic thin-film transistors (OTFT) and organic solar cells (OSC). Fused aromatics usually have low reorganization energy and strong intermolecular interaction, leading to high charge carrier mobility and exciton dissociation efficiency. Therefore, in this project, we will develop the synthesis methods of fused aromatics, and design and synthesize three types of organic/polymeric semiconducting materials based on these fused aromatics, i.e. small molecular high mobility materials, oligomeric high mobility materials and polymeric low bandgap materials, for OTFT and OSC application. The relationship between molecular structures, crystalline structures (aggregation structures) and device properties will be studied. Backbone structures and configuration as well as alkyl chains will be modulated for finely tuning the energy levels, optical bandgap and crystalline structures (aggregation structures) of the conjugated molecules. Based on these studies, we will develop novel organic/polymeric semiconducting materials with intellectual property. 1-2 solution processible organic/polymeric semiconducting materials with charge carrier mobility beyond 3 cm2/V•s for OTFT application and 1-2 solution processible organic/polymeric semiconducting materials with power conversion efficiency of >10% for OSC application will be delivered.

具有高迁移率特征的有机/高分子半导体材料是制备高性能有机薄膜晶体管（OTFT）和太阳能电池（OSC）的基础。本项目从降低共轭分子重组能、提高分子间相互作用，从而提高材料迁移率和激子分离效率的角度出发，面向有机/高分子半导体材料在溶液加工型OTFT和OSC中的应用，发展新型芳香稠环单元的合成方法，设计与合成基于新型芳香稠环单元的有机/高分子半导体材料，研究分子结构－结晶结构（聚集态结构）－器件性能的关系。通过调节烷基链的结构和共轭齐聚物/聚合物的链结构和链构象，建立共轭分子的能级/带隙和聚集态结构（或结晶结构）的精细调控方法，发展具有全新结构和自主知识产权的溶液加工型高迁移率有机/高分子半导体材料体系。面向OTFT应用，获得1－2种迁移率>3 cm2/V•s且具有优异溶液加工性能的有机/高分子高迁移率半导体材料；面向OSC应用，力争获得能量转换效率>10%的窄带隙有机/高分子半导体材料。

有机/高分子半导体材料主要用于有机薄膜晶体管（OTFT）和有机太阳能电池（OSC）的制备，是新一代印刷电子材料。鉴于对高迁移率有机/高分子材料的迫切需求，本项目系统地研究了基于芳香稠环单元的有机共轭小分子、共轭齐聚物和聚合物半导体材料的设计与合成，圆满完成了项目的研究内容和研究目标。发表学术论文26篇，包括Angew. Chem. Int. Ed. 1篇、Adv. Mater. 3篇、Energy Environ. Sci. 1篇、Macromolecules 5篇；申请中国发明专利3项。作为会议主席，举办国内学术会议1次。培养博士研究生7名、硕士研究生4名，3名博士研究生获得研究生国家奖学金。主要研究结果有：.（1）设计与合成了二烷基酞菁氧钒的四个异构体，它们的迁移率均超过0.1 cm2/(V s)；发展了系列基于噻吩稠环单元的共轭小分子和共轭齐聚物，发现基于并噻吩并二苯（BTBT）的非对称共轭分子采取二维薄膜生长方式、能够形成大面积均匀且晶界缺陷少的高质量薄膜，是优异的OTFT材料，所制备的OTFT器件最高空穴迁移率可达11.7 cm2/(V s)。（2）设计与合成了5类新型芳香稠环单元，基于这些单元合成了系列共轭聚合物，发现二噻吩并咔唑可用于构筑性能优异的光伏材料，而稠并异靛蓝是构筑近红外吸收半导体材料的优异构筑单元；将烷基噻吩作为侧链致溶基团，合成了以齐聚噻吩为给体单元的给体-受体型共轭聚合物，这些聚合物在基片上倾向于采取有利于光伏器件工作的face-on方式排列，制备了能量转换效率>10%的OSC器件。（3）发现四氟联噻吩（4F2T）和四氟二噻吩乙烯（4FTVT）具有高的直接芳基化反应活性，通过与基于吡咯并吡咯二酮和异靛蓝的芳香稠环单元的直接芳基化缩聚，合成了系列高迁移率双极传输型和n型共轭聚合物，代表性双极传输型共轭聚合物的空穴与电子迁移率分别达到2.63和8.11 cm2/(V s)，n型共轭聚合物的电子迁移率最高可达4.97 cm2/(V s)。