硼氮杂有机共轭功能材料的设计、合成及其电子学应用

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本研究致力于发展新型硼氮杂有机稠环共轭体系,深入研究其光电特性及聚集行为,并实现其在光电子学器件方面的应用。在论文的研究过程中,重点发展高效的合成方法,探索分子结构与材料性能之间的关系,最终拓展出一类新型硼氮杂有机半导体材料及硼氮杂纳米石墨烯材料,为有机电子学的研究提供新的思路。主要研究内容包括:  ⑴发展了基于三溴化硼的高效亲电关环反应,合成了硼氮杂四噻吩并萘分子(BN-TTN)。噻吩环的引入增加了中间母核的芳香性,致使该分子表现出良好的热稳定性和化学稳定性,为材料加工提供了必要保障。硼氮的引入在分子中引入了一个硼氮偶极,但对分子本身的电子结构影响不大。在单晶中,硼氮单元彼此反平行排列,表现出明显的偶极-偶极相互作用。分子间S…S相互作用、π-π相互作用以及新引入的硼氮偶极之间相互作用,使分子形成紧密堆积的有序结构,为电荷传输提供了通道。通过蒸镀制备的薄膜场效应晶体管器件展现了最高达0.15 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率,首次证明了硼氮杂有机共轭分子在电子学器件中的应用。作者进一步合成了具有不同长度烷基侧链的BN-TTN衍生物,研究烷基链长度对分子聚集态性质以及器件性能的影响。研究结果表明,烷基链长度的改变对分子本身的性质影响不大,但是大大改变了微观上分子间的相互作用及堆积方式,同时也导致了介观上薄膜形貌的巨大差异,最终在宏观上产生了器件性能的极大差别。此研究结果为新型有机半导体材料的设计带来了新的思路,为未来有机电子学的发展提供了一类新的材料,同时也揭示了烷基侧链在有机功能材料中的重要角色,表明在发展新型有机半导体材料过程中,烷基侧链与有机π共轭骨架具有同样举足轻重的作用。  ⑵以“自下而上”构筑硼氮杂石墨烯为长远目标,设计并合成了一系列硼氮杂纳米石墨烯分子。作者以氮杂并苯体系作为起始物,发展了一条简洁的合成路线,高效构筑内嵌两个硼氮单元的纳米石墨烯分子,这也是目前报道的最大的硼氮杂有机共轭分子。该分子在单晶中存在两种分子构型,并表现出独特的分子排列特征。其微米线场效应晶体管器件展现了最高达0.23 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率,同时还具有光导特性。此合成策略具有一定的普适性,可以利用更长的氮杂并苯分子,构筑出更大的、具有更多BN单元的纳米石墨烯分子,这为拓展和丰富硼氮杂有机共轭体系提供了便利的条件。为了提高石墨烯中BN单元掺杂的浓度,作者设计并合成了最简单的硼氮杂石墨烯片段----硼氮杂蔻。从三伸苯出发,经过简洁的路线,成功构筑了首例含有三个硼氮单元的有机共轭分子。通过对此模型化合物的研究表明,在石墨烯的π体系中引入分散的BN单元,不仅可以有效地打开分子的带隙,同时还会保持石墨烯π体系的连续性。含有多个硼氮单元的纳米石墨烯分子的构筑不仅可以作为模型化合物促进对硼氮杂石墨烯性质的研究和理解,也可以作为石墨烯片段,利用“自下而上”的方法,获得掺杂浓度及位置可控的硼氮杂石墨烯。  ⑶立足于发展新型硼氮杂有机共轭功能材料,从开发简洁高效的合成方法及策略出发,丰富材料体系,深入研究分子间相互作用及结构与性能的关系,最终获得基于新材料体系的光电功能器件,并为新型硼氮杂石墨烯的制备及相关研究奠定基础。
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