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化学所在有机半导体材料的设计、合成和场效应性能研究方面取得新进展
2007-01-15 | 编辑:lidan | 【 】【打印】【关闭

有机场效应晶体管研究是目前分子材料和器件领域的热点研究课题之一。近几年在材料的设计、合成以及器件的制备、性能等方面都取得了长足的进展,但如何有效地通过分子设计来调控有机半导体材料的性能仍是一项极具挑战性的工作。因此,设计新型有机半导体材料、制备高性能器件、探索材料结构和性能之间的关系成为了非常重要和基础性的研究工作。

在国家自然科学基金委和中国科学院的支持下,化学所有机固体院重点实验室在以往对扩展的芳香性大环的合成和性能研究的基础上,提出了通过环状结构的分子设计,改善共轭寡聚物在聚集态中的排列的有序性,以达到提高其载流子迁移率的研究思路。根据这一思路,成功地得到了一类基于三苯胺单元的具有优良场效应性能的半导体材料。有关结果发表在近期《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2006, Vol. 128, No. 50, p.1594015941上。

三苯胺及其衍生物是一类优良的空穴传输材料,广泛的应用于有机电致发光和光导材料的研究中,它具有给电子能力强和高的环境稳定性等优点。由于三苯胺的三个苯环为“螺旋桨式”的构型,并且苯环容易反转,导致其聚集态多为无定形结构,目前很少有将其应用于场效应晶体管器件的报道。有机固体院重点实验室的研究人员设计了一种通过乙烯基为连接单元的三苯胺二聚体-化合物1,环状结构导致的空间位阻可以限制苯环的旋转,从而提高分子堆积的有序程度。在合成化合物1的同时,他们还合成了一个对应的线性分子-化合物2。对比研究发现化合物1在单晶中呈高度有序的柱状排列。并且其通过真空沉积制备的薄膜为高度有序的晶态薄膜,其中的分子排列方式和单晶中的一致。而相应的线性分子只能形成无定形的薄膜。在制备的场效应器件中化合物1的迁移率最高可达1.5×10-2 cm2V-1s-1,高出相应线性分子23个数量级。他们还利用第一性原理结合Macrus理论计算了这两种材料中的空穴载流子的迁移率,和实验结果基本一致。理论计算还揭示出环状分子的重组能较线性分子有50%的降低,正是由于这一差异,以及生成晶态薄膜能力的改善导致了环状分子场效应性能的提升。另外其突出的高开关比(107)也预示着这将是一类很有前途的有机半导体材料。这一结果对研究有机半导体材料的结构和性能关系,指导新分子设计具有重要意义。

 

化合物12的分子结构

 

化合物1在晶体中的分子结构和堆积方式

 

基于化合物1的场效应器件的输出曲线和转移曲线

  

 

                                                               有机固体院重点实验室

                                                                    2007年1月15

 

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