有机给受体复合物的制备及其光电性能的研究

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有机给受体复合物是一种新兴的有机半导体材料,其制备方法简单绿色、无需额外的复杂合成过程,通过液相、气相或固相混合,单纯依赖分子间的相互作用(电荷转移、π-π相互作用、氢键、卤素键等)形成高度有序的分子尺度异质结-给受体共晶材料。但是由于目前高性能的给受体共晶材料种类比较有限、超分子结构难以精准调控、受环境以及材料本身影响较大等缺点,高性能、多功能的有机给受体复合物的开发研究仍存在诸多困难和挑战。基于以上考虑,本论文以有机给受体复合物作为主要研究对象,通过选择合适的给体和受体材料,制备出新型的多功能给受体复合物,通过晶体结构的分析、物理化学性质及光电性能的表征展开研究,并探索其构效关系。具体的研究工作为以下三个方面:(1)同时拥有高迁移率和高光敏性的有机光电晶体管器件是现今研究的一大热点,因为大多数有机光敏材料的低迁移率限制了电荷载流子的传输和收集效率。我们设计开发了一种有机给受体复合物,利用电荷转移相互作用得到高迁移率、长波长范围的光电探测器。DFD/TMTES-P纳米线器件的空穴迁移率高达1.12 cm~2 V-1 s-1,并且在300-1000 nm长波长范围下具有较高的光敏性。在365 nm波长光下展现出5.3×10~3 A/W的响应度和0.51×1014 Jones的探测率以及在800 nm波长光下的响应度为3.9×10~4 A/W,探测率为1.0×1014 Jones。而对比器件(DFD/TIPS-P纳米线晶体管)表现出0.27 cm~2 V-1 s-1的空穴迁移率,但稳定性较差。该项研究预示了电荷转移复合物在宽光谱范围(甚至近、中红外区)光电探测应用的潜力。(2)新型高性能n型半导体材料的发现对有机电子的发展具有重要意义。通过调控形核条件,生长Perylene/TCAF给受体复合物多晶型(α相和β相),进而调控复合物材料的电子传输特性。自然冷却过程得到的α相共晶为热力学稳定相,而引入外加刺激(晃动)时,成核势垒的减少促进了亚稳态β相的生成。其中α相共晶的混合堆积柱主要是滑移角为61°的“Z”型堆积柱和“L”典型的混合堆积柱所组成;而β相复合物为鱼骨状堆积结构,给体Perylene和受体TCAF分子之间良好的π-π堆叠模式更利于电子的传输。α相单晶晶体管器件的电子迁移率为0.06 cm~2 V-1 s-1,而异相形核生成的β相性能提高了一个数量级(0.88 cm~2 V-1 s-1)。这种多晶型调控的共晶工程策略为开发高性能n型有机半导体提供了新的思路,也有助于探索结构与性能之间的关系。(3)有机光致变色材料因其独特的物理化学特性而在大规模、低成本光电子领域的应用前景备受关注。筛选发光的并苯类小分子(Perylene和Pyrene)和DCAF分别作为电子给体和电子受体,溶剂挥发法合成DCAF/Perylene和DCAF/Pyrene复合物晶体。给体分子的不同导致了复合物聚集结构、形貌及发光特性的差异:其中DCAF/Perylene复合物堆积模式为典型的H聚集,其纳米线为螺旋型且不发光;而DCAF/Pyrene复合物堆积模式中给体和受体分子的堆叠程度大大减弱,导致其ACQ效应减弱,复合物表现出一维的直线型纳米线以及红光发射。通过分子设计来选择和合成有机荧光或螺旋材料是深入了解其构效关系的有效策略,为开发新型功能超分子体系铺平了道路。
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