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有机场效应晶体管(OFET)在柔性电子产品中具有巨大的应用前景，它的性能与有机半导体材料的结构和性质密切相关，有机半导体材料起着传输载流子的作用，直接决定了载流子的迁移率和器件的稳定性。设计合成高性能、高稳定性的有机半导体材料和研究有机半导体材料的分子结构对器件性能的影响是这一领域中的两个非常重要的问题。本论文设计合成了一系列二氰亚甲基取代的噻吩类醌式化合物和含有噻吩酰亚胺聚合单体的高分子半导体材料，不仅得到可溶液处理、空气稳定和高迁移率的n-型小分子和p-型高分子半导体材料，还详细研究了烷基链在共轭体系上的取代位置对材料场效应晶体管(FET)性能的影响。本论文包括以下四个部分:
1.首次合成了两个二氰亚甲基取代的并四噻吩醌式化合物CMUT和CMHT。CMUT是空气稳定的、可溶液处理的n-型有机半导体材料，其晶体管的最高迁移率可以达到0.90cm2V-1s-1，开关比105，并且显示了良好的空气稳定性和操作稳定性。这是到目前为止，材料综合性能非常优异的n-型有机半导体材料之一。CMHT薄膜晶体管的迁移率在0.16-0.22cm2V-1s-1之间，它在薄膜中的堆积方式和单晶中的相同。CMHT的共轭核在单晶中采用面面堆积，具有较大的堆积面积和较短的面面间距，同时相邻分子间还存在N…S相互作用，上述特点是并四噻吩醌式分子呈现较高场效应晶体管性能的原因。
2.通过改变烷基链在2，5-二噻吩-噻吩并[3，2-b]噻吩醌式化合物上的取代位置，合成了系列化合物3-1、3-2和3-3。3-2薄膜的场效应晶体管显示了最高迁移率0.22cm2V-1s-1，开关比104-5，其迁移率分别比化合物3-3和3-1的高一个和三个数量级。通过对薄膜的紫外吸收、2D-GIXD和AFM表征发现:烷基链的取代位置极大地影响分子在薄膜中的堆积结构和薄膜的形貌，从而造成它们FET性能的差别。上述研究结果表明，烷基链的取代位置对材料的物理性质以及场效应晶体管性能具有非常大的影响。另外还通过3-2b，3-2和3-2c详细地研究了烷基链的长度和空间位阻对材料的物理性质以及场效应晶体管性能的影响。本部分研究结果为设计合成高性能有机半导体材料提供一个全新的思路。
3.把通过改变烷基链的取代位置来提高有机半导体材料FET性能的设计思路应用到了高分子体系，设计合成了含有噻吩酰亚胺(TPD)聚合单元的高分子半导体材料P1、P2和P3。P3的迁移率最高可达1.29cm2V-1s-1，分别比P1(0.15cm2V-1s-1)和P2(0.011cm2V-1s-1)的高一个和两个数量级。薄膜的2D-GIXD和AFM数据显示:高分子烷基链的长程排列结构决定了薄膜的形貌和分子在薄膜中的堆积排列结构，这也是造成它们迁移率不同的根本原因。
4.合成了一系列含有连二（噻吩酰亚胺）聚合单元的高分子半导体材料P4、P5、P6和P7。由于连二（噻吩酰亚胺）更强的吸电子能力，这些高分子的LUMO能级（小于-3.7eV）和HOMO能级（-5.4--5.6eV）使它们适合作为双极性的有机半导体材料。采用“底栅顶接触”的晶体管器件结构，对该系列高分子进行初步表征，测得它们的最高迁移率分别为0.39cm2V-1s-1(P4)、0.20cm2V-1s-1(P5)、0.12cm2V-1s-1(P6)和0.68cm2V-1s-1(P7)。该结果说明连二（噻吩酰亚胺）是非常优秀的高分子半导体材料聚合单元。