梯形共轭化合物和聚合物的设计、合成与表征

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有机半导体材料是支撑整个有机光电领域的基石,而电荷传输以及光电转换又是有机半导体材料的两种基本性质。目前来说,高迁移率、宽光谱吸收、可溶液加工的性能优异的有机半导体材料的种类仍然较少。梯形共轭化合物和聚合物具有大的刚性共轭骨架,利于电子离域和分子堆积,因此这类材料多数具有优异的电荷传输性质。此外,由于较好的共轭性质以及聚集能力还使得这类分子具有较大的消光系数和较宽的吸收光谱。但是这类材料通常都面临着溶解性能差的难题。针对上述问题,本文选取了几种经典的梯形化合物和聚合物,经过合理的分子结构设计和工艺路线选择,合成出系列具有优异溶解性并可溶液加工的梯形化合物和聚合物,研究了它们的光学性质、电荷传输性质以及在体异质结光电探测器中的应用,主要工作内容和结果如下:  (1)发展了一条简便、高效合成含有苯并咪唑萘(苝)四酸酰亚胺化合物的方法,可以方便地在长轴方向上对分子进行共轭扩展。系列化合物在常见有机溶剂中都表现出不错的溶解性并且易于成膜。系列化合物都具有较大的电子亲和势(3.8-4.0 eV),这一数值接近常见受体材料BBL和PCBM的值。随着共轭长度的不同,系列化合物表现出不同的聚集能力,其中含有苝核的两个化合物表现出较强的聚集能力并且具有较宽的吸收光谱。除了LUMO轨道最高的(-3.8 eV)化合物Ⅲ-1外,其余几个化合物在空气当中都具有N-沟道活性,其中苝核系列的两个化合物Ⅲ-5和Ⅲ-6由于具有较强的聚集能力并且异构体可以分离,最终迁移率(10-4 cm2V-1s-1)高出其它化合物1-3个数量级。  (2)发展了一种合成空气稳定的芳香四胺的方法,并以此为基础首次合成出能溶于常见有机溶剂的梯形聚吡咙。两种梯形聚吡咙可以方便地进行溶液加工,并且具有较大的电子亲和势(-4.0 eV),在场效应晶体管中都表现出了典型的N型半导体的特性,电子迁移率可以达到2×10-3cm2V-1s-1。同时,两个聚合物还具有较宽的吸收光谱,可以覆盖整个可见光区并且拖尾至1000 nm处。用两个梯形聚吡咙作为受体材料与常见给体聚合物P3HT共混制备的体异质结探测器在300-650nm范围内的探测率(~1011 jones)接近同样条件下基于PCBM/P3HT的器件的探测率,而在650-900 nm范围内,前者比后者的探测率高了近一个数量级。  (3)设计并合成了溶解性能优异并且保留有NH结构的线形喹吖啶酮类化合物,化合物在溶液态和膜态下都表现出较强的聚集能力。初步研究了两个化合物作为给体材料与PCBM共混在体异质结有机光电探测器中的应用,其中基于V-1/PCBM的探测器在300-720 nm范围内的探测率都在1010jones以上。
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