新型氮杂并五苯分子的设计、合成及场效应性质研究

发布时间：2017-09-15 08:21

  本文关键词：新型氮杂并五苯分子的设计、合成及场效应性质研究

  更多相关文章： 有机半导体 双极性 有机场效应晶体管 非线性光学 光限幅

【摘要】：在本论文中,我们设计合成了一系列杂原子修饰的并苯类衍生物,并对其场效应传输性质和非线性光学性质进行了表征。通过实验和理论研究了氮杂并五苯衍生物的分子结构与光、电性能的关系。通过对分子结构微观化学修饰来实现对宏观的电荷传输性能和非线性光学性质进行调控。这些发现将为有机材料在场效应电学和非线性光学领域广泛应用提供了实验和理论上指导。本论文主要包括以下七个部分内容：第一章中,我们综述了有机材料及其它们的场效应传输。回顾了有机半导体材料的发展和分类,以及有机场效应晶体管的结构和工作原理。本论文的目的：设计合成具有优异的场效应电学的有机材料,并且通过化学修饰对其电荷传输性能进行调控。第二章中,我们叙述了毗嗪类氮杂并五苯分子的设计合成和作为有机半导体材料在OFET应用。我们成功设计合成了吡嗪类氮杂并五苯分子(4F2NTIPSP, 4C12NTIPSP,4F2NTESP,4C12NTESP),对其光学、电化学、稳定性、分子轨道能级、单晶结构进行了表征。通过OFET薄膜场效应性能测试对其在不同基底温度、不同金属电极、不同沟道长宽比的器件制备条件进行了优化。通过薄膜的XRD衍射峰和AFM照片对其晶体堆积和薄膜形貌进行了研究。结果显示：化合物4F2NTIPSP,4C12NTIPSP当基底温度为60℃、电极为Au电极、沟道长宽比(IML=20)时表现出优异的双极性传输性能(电子迁移率高于空穴迁移率)和有利于电荷传输的晶体堆积类型和薄膜形貌。当场效应性能最优时,TIPS取代的4F2NTP和4C12NTP分子具有与之前合成的氮杂并五苯分子相同的器件制备条件。化合物4F2NTP和4C12NTP都具有电子迁移率高于空穴迁移率的双极性传输材料(4F2NTPμh=0.14 cm2/V·s和μe=0.57 cm2/V·s; 4C12NTPμh=0.07cm2/V·s和μe=0.83 cm2/V·s),为深入的基础理论研究双极性半导体传输性能提供了重要的分子模型。第三章中,我们采用一系列氮杂并五苯衍生物作为模型分子来探究影响双极性传输性能的主要因素。我们采用一系列氮杂并五苯衍生物作为模型分子(TP、 1NTP、2NTP、4F1NTP、4C11NTP、4F2NTP.4C12NTP),通过实验和理论研究了电荷传输过程和电荷注入过程。通过引入强的吸电子基团(N、F、C1)调节前线分子轨道能级水平(HOMOs和LUMOs)而调控材料电荷传输性能(电荷迁移率和阈值电压)。实验结果显示：化合物从1P到4C12NTP,随着HOMO和LUMO降低,材料表现了从“以空穴为主的双极性材料”到“平衡的双极性材料”再到“以电子为主的双极性材料”的电荷传输性能；同时,随着HOMO和LUMO降低,电子阈值电压降低,空穴阈值电压升高。基于经典的Marcus理论结合第一原理分子动力学模拟了电荷传输过程。通过比较实验和理论研究说明了(1)电荷注入势垒能够影响双极性OFET器件的电子和空穴迁移率比值；(2)电子和空穴迁移率匹配的、高性能的双极性材料需要具备小的HOMO-LUMO带隙、合适的HOMO和LUMO位置、和既有利于空穴又有利于电子传输的分子堆积类型； (3)传统的单极性半导体材料理论模拟方法,只考虑了电荷在半导体内部传输过程,忽略了电荷从金属到半导体的注入过程,不适应于双极性半导体材料理论模拟,因此需要完善适应于双极性半导体材料的理论计算知识。第四章中,我们首次探究了一系列氮杂并五苯衍生物的非线性光学性质。我们采用Z-扫描技术对氮杂并五苯分子(TP、1NTP、2NTP、4F1NTP、4C11NTP、 4F2NTP、4C12NTP)在不同分子环境(溶液和薄膜两种状态)进行了非线性光学性质研究。通过皮秒的时间分辨泵浦探测和纳秒闪光光解技术对非线性光学机制进行了初步探索和讨论。结果显示：(1)所有氮杂并五苯分子不管是在溶液还是薄膜状态中,都表现出了优异的光限幅效应,具有很好的线性拟合并且非线性吸收系数优于C60；(2)通过分子化学修饰实现了对材料非线性光学性质的调控；(3)所有氮杂并五苯分子光限幅机理是基于分子具有大的激发态吸收,从而具有优异的光限幅效应。通过从有机半导体材料中寻找具有优异光限幅材料以期待发展基于有机半导体材料的有机非线性光学材料的新领域。第五章中,我们通过在并苯骨架中引入杂原子来调节其场效应传输性质。我们通过在并苯骨架中引入杂原子(N、S、O)来调节前线分子轨道能级水平(HOMOs和LUMOs)位置,提高分子稳定性；通过在并苯分子中引入长烷基链或者三异丙基硅基乙炔基,提高分子的溶解性。进而合成稳定、可溶的并苯衍生物半导体材料(S杂原子修饰的蒽并噻吩分子(ADT)、O、S杂原子修饰的并噻吩五元杂环酮分子(DQ和TIPS-DQ)、和N、S杂原子修饰的氮杂并五苯分子(2NThP和1NThP))。这些分子为探索具有优异的场效应电学性能和非线性光学性质的新材料提供了物质基础。第六章中,我们尝试合成基于并五苯骨架的n-型有机半导体材料。我们向具有一个苯环结构的小分子骨架中引入2-(1,3-二巯基-2-亚基)丙二腈,设计合成了具有n-型场效应性能的有机小分子半导体材料(μe=6.6×10-3 cm2/V·s, Vth=14V,Ion/Ioff=4×102)。通过Gaussian 09软件程序理论计算分子中原子的电荷分布情况。预测可以向并五苯骨架中引入2-(1,3-二巯基-2-亚基)丙二腈基团,以此方法来扩大苯环数目,进而增加其共轭芳香结构。第七章中,我们展望了新型有机半导体材料在场效应器件和非线性光学器件中的应用。
【关键词】：有机半导体 双极性 有机场效应晶体管 非线性光学 光限幅
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O626
【目录】：

• 中文摘要5-8
• Abstract8-15
• 第一章 绪论15-38
• 1.1 引言15
• 1.2 有机半导体(Organic Semiconductor)15-25
• 1.2.1 有机半导体简介15-16
• 1.2.2 有机半导体材料的发展16-18
• 1.2.3 有机半导体材料的分类18-25
• 1.3 有机场效应晶体管(Organic Field-effect Transistors,OFETs)25-32
• 1.3.1 OFET简介25-26
• 1.3.2 OFETs器件结构及制备方法26-27
• 1.3.3 影响OFETs器件性能因素27-32
• 1.4 本论文的选题思路和意义32-33
• 参考文献33-38
• 第二章 新型吡嗪类氮杂并五苯衍生物的设计合成与表征38-55
• 2.1 引言38-39
• 2.2 化合物4F2NTP和4Cl2NTP的分子设计39-40
• 2.3 化合物4F2NTP和4Cl2NTP的分子合成40-44
• 2.3.1 试剂与仪器41
• 2.3.2 中间体及目标分子的合成41-44
• 2.4 化合物4F2NTP和4Cl2NTP的表征44-52
• 2.4.1 光学性能44-45
• 2.4.2 OFET的制备和测试45-47
• 2.4.3 结果与讨论47-50
• 2.4.4 薄膜XRD衍射图50-51
• 2.4.5 薄膜AFM图片51-52
• 2.5 本章小结52-53
• 参考文献53-55
• 第三章 氮杂并五苯衍生物的场效应传输性质研究55-80
• 3.1 引言55-56
• 3.2 氮杂并五苯衍生物的实验研究56-68
• 3.2.1 光学性能56-57
• 3.2.2 电学性能57-59
• 3.2.3 稳定性59-60
• 3.2.4 单晶结构分析60-61
• 3.2.5 XRD数据分析-薄膜构型与堆积方式61-63
• 3.2.6 AFM图片分析-薄膜形貌63-64
• 3.2.7 薄膜的场效应性能研究64-68
• 3.3 氮杂并五苯衍生物的理论研究68-75
• 3.3.1 电荷耦合强度计算69
• 3.3.2 分子重组能计算69-71
• 3.3.3 迁移率计算71-72
• 3.3.4 单晶迁移率计算72-73
• 3.3.5 无定型薄膜迁移率计算73-75
• 3.4 本章小结75-76
• 参考文献76-80
• 第四章 氮杂并五苯衍生物的非线性光学性质研究80-97
• 4.1 引言80-81
• 4.2 氮杂并五苯衍生物光限幅现象81-89
• 4.2.1 实验材料和测试方法81-82
• 4.2.2 溶液状态光限幅现象82-85
• 4.2.3 薄膜状态Z-scan测试结果85-86
• 4.2.4 非线性吸收系数86-89
• 4.3 光限幅现象机制探索89-93
• 4.3.1 实验材料和测试方法89
• 4.3.2 激发态吸收(ESA)89-93
• 4.4 本章小结93-94
• 参考文献94-97
• 第五章 含硫、氧、氮的并苯类衍生物设计与合成97-111
• 5.1 引言97-98
• 5.2 以S杂原子修饰的蒽并噻吩分子(ADT)的设计与合成98-101
• 5.2.1 ADT衍生物分子的设计98-99
• 5.2.2 中间体及目标产物的合成99-101
• 5.3 以O、S杂原子修饰的并噻吩五元杂环酮分子(DQ)的设计与合成101-105
• 5.3.1 DQ衍生物分子的设计101-102
• 5.3.2 中间体及目标产物的合成102-104
• 5.3.3 TIPS-DQ分子自由基104-105
• 5.4 以N、S杂原子修饰的氮杂并五苯分子(D-A-D结构)设计和合成105-108
• 5.4.1 D-A-D衍生物分子设计105-106
• 5.4.2 中间体及目标产物的合成106-108
• 5.5 本章小结108-109
• 参考文献109-111
• 第六章 n-型小分子半导体材料的设计与合成探索111-121
• 6.1 引言111
• 6.2 分子设计111-112
• 6.3 试反应112-116
• 6.3.1 小分子设计与合成112-113
• 6.3.2 n-型有机小分子表征113-116
• 6.4 扩环反应116-119
• 6.4.1 分子设计和合成116-117
• 6.4.2 反应分析117
• 6.4.3 理论计算电荷分布117-119
• 6.5 有待深入研究问题和展望119
• 6.6 本章小结119-120
• 参考文献120-121
• 第七章 总结与展望121-126
• 7.1 总结121-125
• 7.1.1 氮杂并五苯衍生物场效应电学性质研究121-123
• 7.1.2 氮杂并五苯衍生物非线性光学性质研究123-124
• 7.1.3 杂原子修饰并苯衍生物光电学性质研究124-125
• 7.2 展望125-126
• 7.2.1 氮杂并五苯衍生物非线性光学性质研究125
• 7.2.2 杂原子修饰并苯衍生物场效应传输性质研究125
• 7.2.3 杂原子修饰并苯衍生物非线性光学性质研究125-126
• 附录126-147
• 在学期间的研究成果147-148
• 作者简历148-149
• 致谢149-150

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李菊仁;略谈场效应[J];益阳师专学报;1986年06期

2 李菊仁;;场效应[J];化学通报;1987年12期

3 管鄂,李植鑫,黄勇,李朝志;复合场效应淬火试验研究[J];武汉水利电力学院学报;1989年01期

4 付庭治,黄德培,朱春生,欧惠春,陆筱旖,胡进,周家蓉,金杰,王金华,张国英;一种新型的涂丝钙离子场效应敏感器件[J];高等学校化学学报;1986年10期

5 何景旺;场效应灯在暗室生产中的应用[J];感光材料;1995年04期

6 朱春生;黄德培;王德g，

本文编号：855376