新型噻吩異靛類有機半導體材料的合成及其性能研究.pdf

1、在有機電子學的發(fā)展過程中，π-共軛有機半導體材料的設計與合成一直是材料化學領域的研究熱點。目前，具有給電子基團-吸電子基團(D-A)共軛結構的有機小分子和聚合物已成為研究最為廣泛的有機半導體材料，這種D-A型結構可以有效的調(diào)控分子的能級、改善分子的溶解性和平面性等性能。近些年，將D-A型有機半導體材料應用于有機場效應晶體管(OFETs)和有機太陽能電池(OPVs)的研究已取得了一些重要進展。
　　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衍生物，這種取代有利于提高分子的平面性并增強分子間的π-π堆積效應。本文以探索新型、高效的有機半導體材料為目標，設計并合成了一系列基于TII的小分子和聚合物材料，并對以該系列TII材料為活性層的OFET和OPV器件的性能進行了系統(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的光學和電化學性質(zhì)。在此基礎

3、上，以不同給電子能力的基團苯環(huán)、苯乙炔和三氟甲苯作為端基合成了三個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)伏安測試表明三個TII小分子材料均具有長波吸收特性和較窄的光學帶隙。
　　2)設計并合成了三個以TII為核心的D-A-D型有機小分子材料，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的光學能帶隙分別為1.46eV、1.49eV和1.53eV;利用循環(huán)伏安法測試得出TII(TPA)2、TII(BFu)2和TII(Na)2的HOMO能級分別為-4.82eV、-5.09eV和-5.08eV?；赥II(TPA)2、TII(BFu)2和TII(Na)2的有機場效應

5、晶體管均具有p-型傳輸特性。其中，以三苯胺為給電基團的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材料中最小的光學帶隙，但其OFET器件性能遠低于另外兩個小分子材料;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)設計并合成了三個以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。三個聚合物均為未定型結構并具有良好的熱穩(wěn)定性。三個聚合物均具有較窄的光學帶隙，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能級分別為-5.27eV、-5.35eV和-5

7、.10eV。利用DFT對三個聚合物材料的分子結構進行模擬及優(yōu)化，計算結果表明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行研究，當電流密度為0.5Ag-1時，其比電容分別為21.7F g-1、40.3F g-1和23.1Fg-1?；赑(TII-Cz)、P(TII-BEN)和P(TII-ANT)的有機場

8、效應晶體管，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對三個聚合物的分子堆積形態(tài)及薄膜形貌進行了測試并分析了其與器件性能之間的關系。
　　4)基于TII的有機半導體材料均具有較寬的光譜吸收范圍、合適的前線軌道能級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太陽能電池領域有著潛在的應用前景。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有機半導體材料的本體異質(zhì)結型有機太陽能電池器件，器件結構為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.