新型噻吩異靛類有機(jī)半導(dǎo)體材料的合成及其性能研究.pdf

1、在有機(jī)電子學(xué)的發(fā)展過程中，π-共軛有機(jī)半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)與合成一直是材料化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，具有給電子基團(tuán)-吸電子基團(tuán)(D-A)共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子和聚合物已成為研究最為廣泛的有機(jī)半導(dǎo)體材料，這種D-A型結(jié)構(gòu)可以有效的調(diào)控分子的能級(jí)、改善分子的溶解性和平面性等性能。近些年，將D-A型有機(jī)半導(dǎo)體材料應(yīng)用于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFETs)和有機(jī)太陽能電池(OPVs)的研究已取得了一些重要進(jìn)展。
　　噻吩異靛(thienoisoind

2、igo，TII)是近些年被合成出的一種新型的含有酰亞胺片段的受體單元。TII可看作是苯環(huán)被噻吩取代的異靛藍(lán)衍生物，這種取代有利于提高分子的平面性并增強(qiáng)分子間的π-π堆積效應(yīng)。本文以探索新型、高效的有機(jī)半導(dǎo)體材料為目標(biāo)，設(shè)計(jì)并合成了一系列基于TII的小分子和聚合物材料，并對(duì)以該系列TII材料為活性層的OFET和OPV器件的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　1)以3-溴噻吩為起始原料合成了TII，并初步研究TII的光學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)。在此基礎(chǔ)

3、上，以不同給電子能力的基團(tuán)苯環(huán)、苯乙炔和三氟甲苯作為端基合成了三個(gè)D-A-D型TII小分子材料M1-M3，以及與M1相類似的DPP小分子化合物M4。密度泛函理論(DFT)計(jì)算得出使用乙炔將苯環(huán)與TII相連，可以有效的提高分子的平面性。紫外-可見光譜與循環(huán)伏安測(cè)試表明三個(gè)TII小分子材料均具有長波吸收特性和較窄的光學(xué)帶隙。
　　2)設(shè)計(jì)并合成了三個(gè)以TII為核心的D-A-D型有機(jī)小分子材料，材料中的給電子片段分別為三苯胺(TII(T

4、PA)2)、苯并呋喃(TII(BFu)2)和萘(TII(Na)2)。這三個(gè)小分子材料均具有良好的熱穩(wěn)定性。TII(TPA)2、TII(BFu)2和TII(Na)2的光學(xué)能帶隙分別為1.46eV、1.49eV和1.53eV;利用循環(huán)伏安法測(cè)試得出TII(TPA)2、TII(BFu)2和TII(Na)2的HOMO能級(jí)分別為-4.82eV、-5.09eV和-5.08eV?；赥II(TPA)2、TII(BFu)2和TII(Na)2的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)

5、晶體管均具有p-型傳輸特性。其中，以三苯胺為給電基團(tuán)的TII(TPA)2的最高空穴遷移率為2.64×10-4cm2V-1s-1，盡管其溶解性較好并具有三個(gè)材料中最小的光學(xué)帶隙，但其OFET器件性能遠(yuǎn)低于另外兩個(gè)小分子材料;TII(BFu)2與TII(Na)2的器件性能較為相似，最高空穴遷移率分別為1.28×10-3cm2V-1s-1和1.29×10-3cm2V-1s-1，均高于同類型基于DPP和II小分子材料的OFET性能。
　　

6、3)設(shè)計(jì)并合成了三個(gè)以TII為核心的D-A型共軛聚合物材料P(TII-Cz)、P(TII-BEN)和P(TII-ANT)，其電子給體片段分別為咔唑、1，4-二乙炔基苯和9，10-二乙炔基蒽。三個(gè)聚合物均為未定型結(jié)構(gòu)并具有良好的熱穩(wěn)定性。三個(gè)聚合物均具有較窄的光學(xué)帶隙，P(TII-Cz)、P(TII-BEN)和P(TII-ANT)的能帶隙分別為1.52eV、1.49eV和1.24eV，HOMO能級(jí)分別為-5.27eV、-5.35eV和-5

7、.10eV。利用DFT對(duì)三個(gè)聚合物材料的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬及優(yōu)化，計(jì)算結(jié)果表明P(TII-BEN)和P(TII-ANT)的分子具有很好的共平面性。此外，以聚合物P(TII-Cz)、P(TII-BEN)和P(TII-ANT)為電極材料的電容性能利用三電極體系進(jìn)行研究，當(dāng)電流密度為0.5Ag-1時(shí)，其比電容分別為21.7F g-1、40.3F g-1和23.1Fg-1。基于P(TII-Cz)、P(TII-BEN)和P(TII-ANT)的有機(jī)場(chǎng)

8、效應(yīng)晶體管，其最高空穴遷移率分別為3.44×10-3cm2V-1s-1、4.38×10-3cm2V-1s-1和9.40×10-3cm2V-1s-1。利用XRD和AFM對(duì)三個(gè)聚合物的分子堆積形態(tài)及薄膜形貌進(jìn)行了測(cè)試并分析了其與器件性能之間的關(guān)系。
　　4)基于TII的有機(jī)半導(dǎo)體材料均具有較寬的光譜吸收范圍、合適的前線軌道能級(jí)以及較好的載流子傳輸性能，這些性質(zhì)使得TII小分子材料和聚合物在有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景。以TII

9、(BFu)2、TII(Na)2、P(TII-BEN)和P(TII-ANT)為給體材料，PC71BM為受體材料制備了基于TII有機(jī)半導(dǎo)體材料的本體異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽能電池器件，器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PS S/TII-based materials:PC71BM/Al?；赥II(BFu)2和TII(Na)2的器件光電轉(zhuǎn)換效率分別為1.24％和1.04％;基于聚合物P(TII-BEN)和P(TII-ANT)的器件光電轉(zhuǎn)換效率分別為1.