基于氮杂芴的半导体设计合成及其性能研究

发布时间：2020-05-29 15:48

【摘要】：有机场效应晶体管(OFETs)在射频识别,柔性显示器,传感器等方面具有广泛的应用,因此获得学术界广泛的关注。有机半导体材料是OFETs的基础,材料的性能直接决定着OFETs的应用,因此设计和合成高性能的有机半导体材料具有重要的意义。目前人们已经合成了一系列稳定,高性能的p型半导体材料,但是n型半导体材料的发展远远落后于p型材料,而n型半导体材料又是逻辑互补电路不可或缺的一部分。本文将吡啶环引入分子骨架,利用吡啶缺电子特性,设计合成了一系列n型半导体材料。同时,利用吡啶和金属配位对材料的带隙和迁移率进行调控。本论文主要包括以下内容:1)设计合成了两种以2-位和4-位取代吡啶封端的噻吩酰亚胺(TPD)衍生物TPD-2-Py和TPD-4-Py。核磁共振谱,吸收光谱和发射光谱证明它们可以通过吡啶环上的氮原子和路易斯酸三(五氟苯基)硼烷(BCF)络合。吸收光谱显示,TPD-2-Py和TPD-4-Py具有类似的吸收,但与BCF络合后,它们的吸收光谱都发生了红移。进一步吸收光谱滴定实验发现,TPD-4-Py更易于与BCF配位,且TPD-4-Py与BCF络合物的最大吸收峰比TPD-2-Py与BCF络合物的最大吸收峰红移20 nm,表明吡啶的取代位置对BCF的配位能力具有重要影响,而且改变吡啶取代位置可以实现对光学带隙的进一步调控。对OFETs的器件研究表明,TPD-2-Py为p型材料,迁移率为2.96 × 10-6(cm2 V-1 s-1),60℃下退火后,迁移率为5.29×10-6(cm2 V-1 S-1)。器件的性能较差,这可能是由于分子的共轭长度较短导致的。2)设计合成以联二噻吩酰亚胺和4,5-二氮杂芴为母核的聚合物P-1和P-2。将P-1骨架中4,5-二氮杂芴-9-酮用丙二腈修饰即得到P-2。我们首先用紫外-可见吸收光谱,电化学对其进行了表征,并研究了聚合物和金属配位后其光学带隙的变化。紫外-可见吸收光谱的实验结果表明,P-1与金属离子配位后,带隙发生了明显的位移,而P-2由于氰基的强拉电子作用并不能与金属离子配位。其次,我们对P-1的OFETs器件性能进行了详细的研究。器件的薄膜采用溶液甩膜法。实验结果表明P-1为n型半导体材料,在160℃退火条件,器件性能达到最优为0.0186(cm2 V-1 s-1)。当加入3%CuSO4时,器件的最优性能为0.0497(cm2 V-1 s-1)。AFM结果表明随着CuSO4用量的增加有助于改变薄膜的平整性从而提高器件的迁移率。P-2的迁移率为0.0025 cm2 V-1 s-1,退火后性能没有变化。P-3的薄膜质量太差,无法制备OFET器件。3)我们设计合成了以氮杂芴为母核,以五氟苯和氰基进行封端的两个小分子,并对其性质进行了表征:(1)材料23的LUMO能级为-3.89eV,其热分解温度超过300℃,具有较好的稳定性,我们希望能得到用于真空蒸镀的n型半导体材料,其器件正在测试中。(2)化合物27的红外光谱与拉曼光谱显示其腈基振动峰均出现在较低波数的2097cm-1和2198cm-1,通常认为这是共轭腈基的吸收,同时其出现了母核氮杂芴的特征吸收,表明其基态为双自由基态。理论计算显示,化合物27最稳定的结构为开壳层单线态自由基。化合物27双自由基特性的进一步表征正在进行中。
【图文】：

有机场效应晶体管,顶接,栅顶,器件

上海师范大学硕士学位论文逦第１章逡逑１．２有机场效应晶体管的原理、结构及性能参数逡逑有机场效应晶体管按照器件结构不同分为四类：根据栅电极位置的不同，有逡逑机场效应晶体管可分为顶栅和底栅两种结构。根据源漏电极与半导体层相对位置逡逑的不同，顶栅和底栅两种结构又可分为顶接触和底接触两种结构。图Ｍ是有机逡逑薄膜晶体管的典型结构［３３］。逡逑Ａ＾Ｂ逦Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ逡逑

络合,氮原子

图２－２邋ＴＰＤ－２－Ｐｙ，邋ＴＰＤ－４－Ｐｙ及与过量ＢＣＦ络合后的ＨＮＭＲ谱。逡逑在ＴＰＤ－２－Ｐｙ的二氯甲烷溶液中加２当量的ＢＣＦ时，其紫外－可见光吸收光谱逡逑吸收强度略有下降，吸收峰位置没有明显变化（图２－３ａ），表明ＢＣＦ与ＴＰＤ－２－Ｐｙ逡逑中吡啶的氮原子基本没有络合现象发生。但在ＴＰＤ－４－Ｐｙ溶液中添加２当量的ＢＣＦ逡逑时，其紫外－可见光光谱发生了明显的变化，ＴＰＤ－４－Ｐｙ的吸收峰完全消失，在长逡逑波方向（４７０ｒａｎ）出现了一新的吸收峰，，显示ＴＰＤ￣４－Ｐｙ和ＢＣＦ完全络合。由于逡逑ＴＰＤ－２－Ｐｙ和ＴＰＤ－４－Ｐｙ具有类似的分子结构，我们认为它们对ＢＣＦ不同的响应逡逑主要是由吡啶取代位置引起的。ＴＰＤ－２－Ｐｙ上的氮原子靠近噻吩，空间位阻较大，逡逑不利于大位阻的ＢＣＦ的配位；而ＴＰＤ－４－Ｐｙ上的氮原子远离噻吩，空间位阻较小，逡逑更有利于具有大位阻的ＢＣＦ分子的络合。为证实空间位阻的影响，我们选用空逡逑间位阻较小的ＢＢｒ３取代ＢＣＦ进行滴定。实验结果显示，在ＴＰＤ－２－Ｐｙ溶液中滴逡逑加２当量ＢＢｒ３后
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O641.4;TN386

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