新型稠环共轭有机半导体材料的设计、合成及其光电性能研究

发布时间：2017-08-03 21:33

  本文关键词：新型稠环共轭有机半导体材料的设计、合成及其光电性能研究

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【摘要】：稠环共轭有机半导体材料作为有机电子的最重要组成部分之一,设计和合成高性能的稠环共轭有机半导体材料对调节和提高器件的性能具有非常重要的意义。本文从材料的角度出发,设计合成了一系列新型稠环共轭有机半导体材料,对它们的光学性能和电化学性能以及能级结构进行了研究分析。根据它们的结构和性能对其在有机场效应晶体管和有机光伏电池方面的应用进行了初步探索,探讨了其结构与性能的关系,为新型稠环共轭有机半导体材料的设计和合成提供指导和借鉴。主要内容如下:第二章,采用Suzuki偶联聚合合成了两种基于9,10-二羧酸二(2-乙基己基)酯-菲并噻吩(TP)与4,7-二(5-溴噻吩-2-基)-5,6-二(辛氧基)苯并[c][1,2,5]噻二唑(DBT)单元的具有不同键位连接的新型稠环共轭聚合物太阳电池材料PTP36-DBT和PTP27-DBT。对这两种材料的光学性能和电化学性能以及能级结构进行了研究,表明两种聚合物材料都具有较低的HOMO能级,较低的HOMO能级有利于聚合物太阳电池器件获得较高的开路电压(VOC)。以两种新型聚合物PTP36-DBT和PTP27-DBT为本体异质结聚合物太阳电池器件的给体材料,PC71BM为受体材料,制备聚合物太阳电池器件进行了光伏性能的研究。同时从空穴载流子迁移率、表面形貌等方面分析了两者性能表现的差异,最后研究了溶剂退火处理对器件性能的影响。第三章,成功合成两种新型含有三个连续吡咯环结构的稠环化合物吡咯并[3,2-b:4,5-b']二吲哚(PDIs),即PDI-Tol和PDI-C8。将3,8-位功能化,分别与供电子基团噻吩基、中性基团甲苯基和吸电子基团氰基相连延伸π共轭体系的共轭长度,共合成3,8-PDI-TolTh、3,8-PDI-Tol-Ph、3,8-PDI-Tol-CN、3,8-PDI-C8-Th、3,8-PDI-C8-Ph、3,8-PDI-C8-CN等六种新型基于PDI-Tol和PDI-C8的衍生化合物。通过对这八种化合物进行光学性能和电化学性能的研究,分析了3,8-位不同极性基团对其光学性能和电化学性能以及能级结构的影响。第四章,采用Suzuki反应合成了新型含有三个连续吡咯环结构的稠环聚合物PPDITol-C8和PPDI-C8-C8,通过改变5,6-位烷基链的种类以改善聚合物的溶解性能。对PPDITol-C8、PPDI-C8-C8和改变烷基链种类后的聚合物PPDI-Tol-EH、PPDI-C8-EH的光学性能和电化学性能以及能级结构进行了研究。将新型聚合物PPDI-Tol-EH和PPDI-C8-EH进行了OFETs性能的表征。第五章,合成了D-A结构共轭聚合物PPDI-Tol-C8-DBT和PPDI-C8-C8-DBT,将PDI单元的5,6-位由辛基替换为(2-乙基)己基,改善聚合物的溶解性,在此基础上用PDI单元与不同的缺电子单元共聚合成了具有良好溶解性的一系列新型D-A稠环共轭聚合物PPDI-Tol-EH-DBT、PPDI-Tol-EH-BT、PPDI-Tol-EH-BT-F和PPDI-C8-EH-DBT、PPDI-C8-EH-BT、PPDI-C8-EH-BT-F。对这些聚合物的光学性能和电化学性能以及能级结构进行了研究,分析了改变5,6-位取代基前后性能的变化情况,以及11-位为甲苯基和辛基取代基的性能对比。分析研究了PDIs单元与不同缺电子程度的结构单元共聚时光学性能和电化学性能以及能级结构的变化。对这八种D-A共轭聚合物进行初步的光伏性能研究,从取代基和共聚单元角度进行了分析,研究了光伏性能参数与共聚单元以及取代基之间的关系。
【关键词】：稠环共轭有机半导体材料 菲并噻吩 吡咯并[3 2-b:4 5-b']二吲哚 聚合物太阳电池 有机场效应晶体管
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304;O626
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-41
• 1.1 引言12-13
• 1.2 共轭有机半导体材料简介13-14
• 1.3 有机发光二极管的研究及应用进展14-24
• 1.3.1 有机发光二极管的器件结构和基本原理17-19
• 1.3.2 有机发光二极管的性能参数19-20
• 1.3.3 有机发光二极管的最新研究进展20-24
• 1.4 有机场效应晶体管的研究及应用进展24-29
• 1.4.1 有机场效应晶体管的器件结构和基本原理25-26
• 1.4.2 有机场效应晶体管的性能参数26
• 1.4.3 有机场效应晶体管的最新研究进展26-29
• 1.5 有机太阳电池的研究及应用进展29-38
• 1.5.1 有机太阳电池的器件结构和基本原理30-32
• 1.5.2 有机太阳电池的性能参数32-33
• 1.5.3 有机太阳电池的最新研究进展33-38
• 1.6 本论文的研究内容和创新之处38-41
• 1.6.1 本论文的研究内容38-39
• 1.6.2 本论文的创新之处39-41
• 第二章 基于 9,10-二羧酸二（2-乙基己基）酯-菲并噻吩的共轭聚合物的合成及光伏性能41-61
• 2.1 引言41-42
• 2.2 实验部分42-48
• 2.2.1 原料与试剂42-43
• 2.2.2 材料的表征设备与仪器43
• 2.2.3 单体及聚合物的合成43-47
• 2.2.4 OPVs器件的制备与性能测试47-48
• 2.2.5 原子力显微镜（AFM）表面形貌表征48
• 2.2.6 空间电荷受限电流法（SCLC）测定空穴迁移率48
• 2.3 结果与讨论48-60
• 2.3.1 合成与表征48-54
• 2.3.2 光学性能54-55
• 2.3.3 电化学性能与能级结构55-56
• 2.3.4 共聚物的光伏性能56-60
• 2.4 本章小结60-61
• 第三章 基于吡咯并[3,2-b:4,5-b']二吲哚的新型稠环共轭小分子的合成与表征及其基本性能研究61-104
• 3.1 引言61-62
• 3.2 实验部分62-73
• 3.2.1 原料与试剂62-63
• 3.2.2 材料的表征设备与仪器63
• 3.2.3 单体小分子的合成63-73
• 3.3 结果与讨论73-103
• 3.3.1 合成与表征73-91
• 3.3.2 光学性能91-100
• 3.3.3 电化学性能与能级结构100-103
• 3.4 本章小结103-104
• 第四章 基于吡咯并[3,2-b:4,5-b']二吲哚的新型稠环共轭均聚物的合成与表征及其有机场效应晶体管性能的研究104-126
• 4.1 引言104
• 4.2 实验部分104-111
• 4.2.1 原料与试剂104
• 4.2.2 材料的表征设备与仪器104-105
• 4.2.3 单体及聚合物的合成105-111
• 4.2.4 OFETs器件的制备与性能测试111
• 4.3 结果与讨论111-125
• 4.3.1 合成与表征111-118
• 4.3.2 光学性能118-122
• 4.3.3 电化学性能与能级结构122-123
• 4.3.4 OFET性能测试123-125
• 4.4 本章小结125-126
• 第五章 基于吡咯并[3,2-b:4,5-b']二吲哚的共轭聚合物的合成及光伏性能126-146
• 5.1 引言126
• 5.2 实验部分126-133
• 5.2.1 原料与试剂126-127
• 5.2.2 材料的表征设备与仪器127
• 5.2.3 共聚物的合成127-132
• 5.2.4 OPVs器件的制备与性能测试132-133
• 5.3 结果与讨论133-144
• 5.3.1 合成与表征133
• 5.3.2 光学性能133-138
• 5.3.3 电化学性能与能级结构138-141
• 5.3.4 共聚物的光伏性能141-144
• 5.4 本章小结144-146
• 结论146-149
• 参考文献149-174
• 攻读博士学位期间取得的研究成果174-176
• 致谢176-178
• 附件178

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