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新型有机电子给体和场效应晶体管半导体功能材料的设计、合成及性能研究

作　者: 洪巍
导　师: 朱道本
学　校: 复旦大学
专　业: 有机化学
关键词: 有机功能材料有机电子给体场效应晶体管有机半导体
分类号: O621.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

有机功能材料是有机合成、物理化学和电子学的交叉研究领域,它将合成的有机分子应用于光电器件,为信息技术的发展开辟了新天地,因此得到广泛的重视。本论文分别从有机电子给体和有机场效应半导体两个子方向切入这一领域,设计合成了多种新型分子,对它们进行理论计算和性质研究,制备了相应的分子器件,测试了材料的性能;并试图探讨分子结构和性能之间的内在联系,以进一步设计性能更好的有机功能材料。主要内容如下:1.论文第一部分（第二章）,合成了12个σ键非共轭联接的含2-6个TTF单元的枝状和环状新型有机电子给体1a-b、2a-b、3a-b、4a、6’、7、8、9a-b,并经核磁、红外、高分辨质谱确认了它们的结构。合成了碘代前体19和23,可以应用于引入TTF单元的亲核取代反应。2.初步优化计算了新型电子给体的构型,发现含多个TTF单元的线形给体同侧TTF单元一般取交叉垂直排列;环形给体TTF单元沿中心呈弯曲扇叶状排列。用循环伏安法研究了它们的电化学性质,发现各线型电子给体均出现了二组可逆或准可逆的特征氧化还原峰,说明TTF单元间的相互作用很小,与非共轭键相连接的结构相吻合。从氧化还原电位来看,新型给体均具有和经典给体BEDT-TTF相似的给电子能力。发现含三个TTF单元的大环给体8具有分阶段的二级氧化过程。研究了含5-6个TTF单元的电子给体2a和4a的LB成膜性能,发现均能形成质量较高的单分子膜,崩溃压高于以前的研究结果,为制备LB薄膜器件提供了依据。3.论文第二部分（第四章）,研究了一类同时含硫和氮原子的并五苯类似物——二（苯并吩噻嗪）并吡咯（PBBTZ）环系,第一次将其应用于OTFT器件。合成了PBBTZ环系化合物1-3并比较研究了类似物4,通过结构、光学、热力学、电化学和器件研究,发现PBBTZ是一类合成简捷、分离方便、在环境中稳定的p型半导体材料。电化学研究表明,PBBTZ衍生物的HOMO能级与用作场效应晶体管电极材料的金的功函能较好匹配。X射线单晶衍射表明,化合物1的呈γ-鱼骨状面对面堆积,有利于形成高效的电荷传输:化合物3由于取代烷基的影响,单晶结构为夹心鱼骨状堆积,柱内层间距大于化合物1,可能使相应器件性能降低。器件测试表明,1-4的薄膜场效应晶体管均为p型,当基底温度为60℃时,1达到最好的器件性能,平均迁移率可达0.34 cm² V^-1s^-1,开关比为7×10⁶-3×10⁷,综合性能在已报道类并五苯结构半导体材料中处于前列。跟踪测试表明器件在空气中显示了良好的稳定性。薄膜形貌AFM和XRD测试表明,1薄膜场效应器件的高性能来源于膜内分子的有序排列。基底温度为100℃时,1的场效应迁移率仍在10^-2cm²V^-1s^-1量级。化合物2和3吡咯氮上的取代基看来影响了有序排列,降低了薄膜场效应器件的性能。化合物3溶解性较好,有希望用于溶液成膜的器件,并在光电流测试中显示出应用于有机太阳能电池的潜力。4.论文第二部分（第五章）中,还设计合成了含氟基团取代的PBBTZ环系衍生物5和6,研究了它们的合成和光谱、热力学、电化学性质,测定了6的单晶结构。通过紫外光谱和电化学数据,估算了它们的能级和能隙。发现含氟基团的引入,有效降低了PBBTZ的HOMO-LUMO能级,其中苯环上的三氟甲基对能级降低贡献较大,化合物5热稳定性好,吡咯氮上氟碳链改善了化合物6的溶解性。目标化合物是一类具有前景的n型半导体材料。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
绪论  9-11
第一章有机电子给体研究概况  11-37
  1.1 引言:基于电子给体和受体的有机导体  11-14
  1.2 有机导体的研究现状  14-17
  1.3 含多个四硫富瓦烯(TTF)单元的有机电子给体  17-26
  1.4 总结和选题意义  26-27
  参考文献  27-37
第二章新型多TTF电子给体合成及物性研究  37-74
  2.1 引言  37-39
  2.2 目标化合物的合成  39-47
  2.3 合成实验部分  47-62
  2.4 新型给体物化性质研究  62-69
    2.4.1 构型计算优化  62-63
    2.4.2 电化学性质研究  63-67
    2.4.3 LB成膜性能研究  67-69
  2.5 本章小结  69-70
  参考文献  70-74
第三章有机场效应晶体管半导体材料研究概况  74-104
  3.1 引言:有机场效应晶体管  74-75
  3.2 有机场效应晶体管的结构、工作原理和性能表征  75-80
  3.3 应用于场效应晶体管的有机半导体材料  80-90
    3.3.1 p型有机半导体材料  81-88
    3.3.2 n型有机半导体材料  88-90
  3.4 有机半导体材料的固态结构和成膜技术  90-92
  3.5 总结和选题意义  92
  参考文献  92-104
第四章二(苯并吩噻嗪)并吡咯类p型半导体材料的合成和性质研究  104-139
  4.1 引言  104-105
  4.2 化合物的合成和表征  105-107
  4.3 合成实验部分  107-111
  4.4 结果与讨论  111-133
    4.4.1 溶解性和光物理性质  111-114
    4.4.2 电化学性质  114-115
    4.4.3 热稳定性  115-117
    4.4.4 化合物1和3的单晶结构  117-124
    4.4.5 薄膜形貌的表征  124-128
    4.4.6 薄膜晶体管器件的电学性能  128-131
    4.4.7 光电流测试  131-133
  4.5 本章小结  133-134
  参考文献  134-139
第五章含氟取代的二(苯并吩噻嗪)并吡咯类n型半导体材料的合成和性质  139-151
  5.1 引言  139-140
  5.2 化合物的合成和表征  140
  5.3 合成实验部分  140-142
  5.4 结果与讨论  142-147
    5.4.1 溶解性和光物理性质  142-144
    5.4.2 电化学性质  144-145
    5.4.3 热稳定性  145-146
    5.4.4 化合物6的单晶结构  146-147
  5.5 本章小结  147-148
  参考文献  148-151
第六章结论和展望  151-154
致谢  154-155
论文发表情况  155-156

新型有机电子给体和场效应晶体管半导体功能材料的设计、合成及性能研究

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