基于多稠环梯型共轭单元的n型有机半导体的合成及应用

发布时间：2020-09-17 19:10

　　 有机半导体对有机电子器件的发展和应用至关重要。在过去几十年里,p型有机半导体取得了巨大的发展,相比之下,n型有机半导体在分子结构多样性和器件性能方面(如电子迁移率)仍远远落后于p型有机半导体,急需提升其性能表现。多稠环梯型共轭分子因具有良好的溶解性、易调控的前线分子轨道能级和良好的骨架平面性被广泛应用于设计高性能的p型有机半导体。而本论文中,我们通过引入强的拉电子单元,旨在利用多稠环梯型共轭单元来设计合成新型的n型有机半导体并开展电子器件性能研究。通过改变强拉电子单元在多稠环梯型共轭单元上的连接位置和方式,多稠环梯型共轭分子可用来设计两类n型有机半导体。在多稠环梯型共轭分子的两端连接强拉电子单元可设计A-D-A型非富勒烯受体;在多稠环梯型共轭分子的骨架中引入拉电子的基团可设计具有n型传输性质的多稠环梯型共轭分子。最终,通过设计合成一些新型的多稠环梯型共轭单元,然后引入强拉电子单元,我们设计合成出了一些具有高性能的n型有机半导体。首先,含有硒原子的五元梯型稠环单元(IDSe)被用来设计合成一种A-D-A型的非富勒烯受体材料(IDSe-T-IC)。基于J51:IDSe-T-IC的聚合物太阳能电池最大的PCE为8.6%,Voc为0.91 V,Jsc为15.20 m A cm~(-2),填充因子(FF)为62.0%。基于J51:IDSe-T-IC电池器件的性能相比同等器件制备条件下基于J51:PC71BM的太阳能电池的器件性能(PCE=6.0%)高出很多。其次,通过增加五元梯型稠环单元(IDT)的稠环个数,我们将IDT从五元稠环扩增至十元稠环并设计合成了具有十元稠环的梯型单元IDTIDT。基于该十元梯型稠环单元,我们得到了A-D-A型非富勒烯受体材料IDTIDT-IC。以IDTIDT-IC为受体PTB7-Th为给体的太阳能电池最高的PCE为6.5%,Voc为0.94V,Jsc为14.49 m A cm~(-2),填充因子(FF)为47.5%。而且,基于受体材料IDTIDT-IC的太阳能电池在高外量子效率(EQE为63%)的同时表现出较小的能量损失(0.59e V)。最后,我们将传统的多稠环梯型单元(IDT)中的环戊二烯替换成环戊二酰亚胺。于是,具有富电子性的IDT单元可以被转换成具有缺电子性的BBI单元。基于该BBI单元我们也设计合成了三个D-A型共聚物,这三个共聚物均表现出n型的传输性质并具有较高的电子迁移率,最高电子迁移率可以达到0.34 cm~2 V~(-1)s~(-1)。由此可见,多稠环梯型共轭单元可作为基本的分子构造单元用于设计高性能的n型有机半导体,例如A-D-A型的非富勒烯受体或具有n型传输特性的D-A共聚物,并应用于有机太阳能电池或有机场效应晶体管中。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O649.5
【部分图文】：

图 1-1A-D-A 型非富勒烯受体材料结构示意图1.2.2 通过在分子内稠环上拉电子基团构建 n 型有机半导体通过在多稠环梯形共轭分子骨架内引入拉电子的官能团可以将一般表现为 型的多稠环梯型共轭分子转变为 n 型的共轭分子（Scheme 1-2）。其中最常见的是利用强拉电子能力的酰胺基团作为桥环，例如常见的萘二酰胺（NDI）和傒二酰胺（PDI）等。同样的 Marks 组通过将联噻吩和酰胺基团稠环设计合成了 n 型的BTI 单元[5]；Ding 及其合作者同样通过引入酰胺基团设计合成了具有 5 元稠环的TPTI 受体单元；同样的 Pei[6]，Takimiya[7]和 Kim[8]报道了 TPTI 的异构体 TP单元。但是由于 TPTI 和 TPT 都是内酰胺的结构，分子中含有的酰胺基团的拉电性还是不足以使基于 TPTI 和 TPT 单元的共聚物表现为 n 型。因此，Osaka 等在

基于多稠环梯型共轭单元的 n 型有机半导体的合成及应用 第一章 绪论管类似。典型的有机场效应晶体管包括三种主要材料成分（如图 1-3a）：（a）一种可作为源极 S、漏极 D、栅极 G 的导体材料；（b）绝缘的介电层材料；（c）提供可变导元素的有机半导体材料。晶体管结构包括顶栅和底栅结构两种。顶栅结构中，源极和漏极沉积在基底上，紧接着是有机半导体材料层，介电层，最后再沉积上栅极。在顶栅结构（如图 1-3b），有机半导体材料被基底和介电层封闭起来。底栅结构中，栅极直接沉积在基底上（重掺杂的硅作基底和栅极）。热生长制备的 SiO2或其他绝缘层材料作为介电层紧接着沉积在栅极上。之后根据源极和漏极的沉积顺序又可将底栅结构进一步分成底栅底接触（BGBC）和底栅顶接触（BGTC）两种。在底栅底接触结构中（图 1-3c），源极和漏极在介电层上面，而后是半导体材料层；而在底栅顶接触结构中（图 1-3d），介电层之后是半导体层，随后沉积源极和漏极。

一章 绪论 基于多稠环梯型共轭单元的 n 型有机半导体的合成及轭骨架的多稠环梯型共轭单元（如图 1-6），然后引入强拉电子基团设计合有机半导体。具体内容包括：第二章基于硒吩梯型稠环单元的非富勒烯受体在有机太阳能电池中的应用；第三章基于十元梯型稠环单元的非富勒烯受体在有机太阳能电池中的应用；第四章基于酰胺类梯型稠环单元的聚合物受体在有机场效应晶体管中应用。

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王云立;;有机半导体:为碳电子时代绘美景[J];化工管理;2014年04期

2 ;n-型有机半导体促进印刷电子工业发展[J];金属功能材料;2014年05期

3 郑冬冬;;科学家鲍哲南成功研发有机半导体[J];半导体信息;2012年01期

4 ;科学家鲍哲南成功研发有机半导体[J];电子工业专用设备;2011年12期

5 ;有机半导体:无限的可能[J];现代制造;2005年24期

6 ;关于有机半导体导电机理的探讨[J];厦门大学学报(自然科学版);1961年03期

7 ;科学家通过加热有机半导体来制作纳米图案[J];光机电信息;2009年10期

8 Klaus Ludwig;Jürgen Ficker;Wolfgang Clemens;Wolfgang Mildner;彭增辉;;用于可溶性有机半导体印刷电路的显示器[J];现代显示;2007年03期

9 小谷光司;;未来技术 扩大应用范围的有机半导体0.15mm×0.15mm的RFID技术[J];电子设计应用;2006年04期

10 萧深初,朱礼仁,王安民,林源斌,朱石沙;一种新型有机半导体的电流变特性的研究[J];材料科学与工程;1996年04期

相关会议论文 前10条

1 汤勤;缪谦;;从氮杂并五苯探索有机半导体的结构性能关系[A];全国第八届有机固体电子过程暨华人有机光电功能材料学术讨论会摘要集[C];2010年

2 赵宝奎;;X射线在有机半导体铜酞化氰与重金属界面的剂量增强系数[A];第三届散裂中子源多学科应用研讨会论文集[C];2006年

3 马东阁;;有机半导体及其在OLED照明中的应用[A];2013年全国高分子学术论文报告会论文摘要集——主题F：功能高分子[C];2013年

4 耿华;帅志刚;;有机半导体电荷传输性质的理论研究[A];中国化学会第十二届全国量子化学会议论文摘要集[C];2014年

5 周科;;High performance air-stable n-type organic semiconductors based on s-indaceno[1,2-b:5,6-b']dithiophene-4,9-diylidene dimalononitrile[A];第十七届全国晶体生长与材料学术会议摘要集[C];2015年

6 刘冉冉;解令海;李杰伟;王兢;高玲;黄维;;基于1,8-二溴咔唑的非线性π共轭有机半导体的合成及光电性质[A];全国第八届有机固体电子过程暨华人有机光电功能材料学术讨论会摘要集[C];2010年

7 张英超;史作森;崔占臣;;利用相似结构诱导有机半导体分子结晶及在有机薄膜晶体管上的应用[A];2013年全国高分子学术论文报告会论文摘要集——主题G：光电功能高分子[C];2013年

8 冯煜东;张福甲;;有机半导体器件的真空镀膜技术[A];TFC'05全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2005年

9 闫东航;;有机半导体高有序液晶薄膜的制备新方法研究[A];2008年两岸三地高分子液晶态与超分子有序结构学术研讨会暨第十次全国高分子液晶态与超分子有序结构学术论文报告会论文集[C];2008年

10 马东阁;;有机半导体异质结及其在叠层有机发光二极管中的应用[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 王云立;有机半导体:为碳电子时代绘美景[N];中国化工报;2014年

2 记者 张晔;南工大有机半导体研究获国家自然科学二等奖[N];科技日报;2014年

3 本报记者 吴苡婷;有机半导体世界里修炼“魔法”[N];上海科技报;2013年

4 ;有机半导体产业取得长足发展[N];人民邮电;2008年

5 刘霞;大分子碳结构有机半导体问世[N];科技日报;2011年

6 刘霞;有机半导体激子扩散距离可达8微米[N];科技日报;2010年

7 瑞丰;有机电子应用前景光明[N];民营经济报;2008年

8 本报记者 张晔 实习生 魏晓敏;王欣然：引领前沿更欣然[N];科技日报;2016年

9 张孟军;美科学家加紧研制电子布[N];科技日报;2003年

10 山东 蔡深;一款便携式VCD机的摩机[N];电子报;2007年

相关博士学位论文 前10条

1 许欢;双极性及n-型有机半导体的合成与表征[D];兰州大学;2014年

2 王启晶;二维有机半导体晶体液相生长及高性能场效应晶体管研究[D];南京大学;2018年

3 任俊峰;有机半导体中电流自旋极化性质研究[D];山东大学;2006年

4 郭树旭;并五苯晶体与薄膜的同质异相体及其电子过程[D];吉林大学;2006年

5 李东仓;并三苯有机场效应晶体管的研制[D];兰州大学;2007年

6 崔泽群;基于开尔文探针力显微镜的有机半导体器件研究[D];苏州大学;2016年

7 李先杰;有机半导体的光增益和电荷传输性质研究[D];吉林大学;2013年

8 陶永升;有机半导体在有序材料表面的吸附结构和电子性质的研究[D];浙江大学;2015年

9 艾娜;基于溶液处理的有机半导体器件及其应用[D];华南理工大学;2013年

10 钟知鸣;有机半导体异质结调控及机理研究[D];华南理工大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 吴福鹏;基于多稠环梯型共轭单元的n型有机半导体的合成及应用[D];苏州大学;2018年

2 王文青;有机半导体中掺杂机理的研究[D];扬州大学;2018年

3 李佳佳;有机半导体微纳米晶的制备及其光电性能研究[D];上海大学;2017年

4 余萍;n-型有机半导体分子的二维界面自组装[D];青岛科技大学;2018年

5 詹晓玲;外部电场对有机半导体电荷传输性能影响的理论研究[D];暨南大学;2018年

6 刘强;有机半导体自组装薄膜及其气敏特性研究[D];中国科学技术大学;2017年

7 郭姿含;有机半导体的电子电离能、亲和势和极化能的密度泛函理论研究[D];华东师范大学;2017年

8 许光富;有机半导体输运机制及器件电学性质的研究[D];电子科技大学;2014年

9 路飞平;有机半导体薄膜器件中的电荷输运研究[D];兰州大学;2007年

10 李爱雪;有机半导体微纳结构的可控组装及电化学发光性能研究[D];燕山大学;2015年

本文编号：2821112