有机半导体材料是含共轭结构的小分子或聚合物,具有质量轻、可溶液加工、柔性等优点,在有机场效应晶体管、有机发光二极管、有机太阳能电池等领域都取得了巨大的进展。增强分子的平面性可以拓宽π共轭、调节分子的能级,是一种提高有机半导体性能的有效策略。稠环分子具有刚性的骨架和优异的平面性,可以增强π电子的离域、调节分子的能级、抑制非辐射跃迁、提高载流子迁移率;但是也存在一些不足之处,在有机太阳能电池的活性层中,稠环分子可能会过度聚集使相分离不理想,影响器件性能。分子内的非共价键作用可以固定分子的构象,使分子的平面性增强,但是目前常用的F···S、O···S作用也存在一些不足之处,如在噻吩上引入氟原子的成本比较高,而烷氧链具有强的给电子能力,不利于提高有机半导体材料的n型的性质。针对上述问题,开展了本论文的研究工作,并选择氮杂环作为基础单元,氮杂环具有如下优点:（1）来源广泛;（2）六元氮杂环具有缺电子的性质,可以降低有机半导体的能级,有利于材料实现n型性质;（3）六元氮杂环中的sp²杂化的N原子取代C-H,可以降低空间位阻效应,而且还可以形成分子内的氢键、N···S作用使分子的平面性增强;（4）五元氮杂环中的氮原子上可以引入烷基链,不仅可以提高分子的溶解性,还可以抑制分子的过度聚集。基于氮杂环的上述优点,本论文采用氮杂环为基础单元,设计、合成了一系列新型的有机半导体材料并应用于器件中,主要内容如下:1.将五元氮杂环的衍生物苯并三氮唑和苯并噻二唑引入到苝的湾区位置（bay-position）,得到了两个新型的稠环结构BTh P-Br和BTr P-Br。将BTh P-Br和BTr P-Br作为给体单元,用吡咯并吡咯二酮（DPP）封端,得到了两个受体-给体-受体型（A-D-A）小分子BTh P-DPP和BTr P-DPP。热失重分析证明BTh P-DPP和BTr P-DPP具有良好的热稳定性,光物理测试显示它们具有宽的光谱吸收;电化学测试数据显示两个分子具有合适的前线轨道能级,可以作为给体材料应用于有机太阳能电池中。形貌表征表明BTr P-DPP/PC₇₁BM的共混薄膜具有较理想的相分离尺寸,基于它们为活性层的器件,光电转化效率为2.88%。2.将六元氮杂环吡啶、嘧啶、吡嗪分别用咔唑封端得到三个给体-受体-给体型（D-A-D）的小分子Py DCz、Pym DCz和Pya DCz。热失重分析证明它们具有较好的热稳定性,光物理测试显示三个分子具有较高的三线态能级,可以用作蓝光主体材料,理论计算证明分子内的N···H可以调节分子的构象,单晶数据分析证明Py DCz和Pya DCz分子在固态下具有更加紧密的堆积结构,有利于形成传输电子和空穴的双通道。将三个分子作为蓝光主体材料应用于有机发光二极管,基于Py DCz为主体,掺杂10%FIrpic为客体的器件的外量子效率（EQE）可以达到16.3%。3.将六元氮杂环哒嗪、吡嗪分别和DPP共聚,得到了两个新型的受体-受体（A-A）共轭聚合物PDPP-Pyi和PDPP-Pya。热失重分析显示两个聚合物具有优异的热稳定性,电化学测试表明它们具有较高的氧化稳定性,合适的前线轨道能级应用于双极性有机场效应晶体管;理论计算证明分子内的S···N作用使两个聚合物的主链具有高度的平面性和不同的曲率,形貌表征显示线性结构的PDPP-Pya的薄膜具有更有序结构,分子倾向于采用主链站立于基底（edge-on）的方式排列,这种堆积方式有利于载流子沿着共轭骨架和π-π堆积的方向进行传输。将PDPP-Pya应用到有机场效应晶体管中,空穴/电子迁移率可以达到0.39/0.30 cm² V^-1 s^-1。4.将六元氮杂环衍生物5,5’-二溴-2,2’-联吡啶和6,6’-二溴-2,2’-联吡啶分别与DPP共聚,得到了两个新型的受体-受体共轭聚合物PDPP5bi Py、PDPP6bi Py。热失重分析证明它们具有良好的热稳定性,电化学测试显示它们具有较高的氧化稳定性和合适的前线轨道能级应用于有机场效应晶体管,理论计算证明分子内N···H作用使聚合物PDPP5bi Py的主链具有局部的平面性,N···H和S···N的协同作用使PDPP6bi Py的整个主链都具有优异的平面性。PDPP5bi Py和PDPP6bi Py具有合适的前线轨道能级和优异的平面性,因此有应用于效应晶体管的潜力。