劉忠范

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

(a) 新型有機半導(dǎo)體材料PyDI與傳統(tǒng)芳香二酰亞胺類分子的結(jié)構(gòu)對比；(b) 中間產(chǎn)物的能級調(diào)控

近年來，伴隨著有機電子學(xué)的蓬勃發(fā)展，有機半導(dǎo)體材料的研究逐漸成為了科研領(lǐng)域的熱點之一。與傳統(tǒng)的無機半導(dǎo)體材料相比，有機半導(dǎo)體材料具備獨特的優(yōu)勢，比如分子結(jié)構(gòu)易于調(diào)控、可溶液處理和易于大規(guī)模制備1,2。有機半導(dǎo)體材料在新一代電子產(chǎn)品，諸如柔性器件、低功耗顯示、電子皮膚等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

依據(jù)載流子類型劃分，有機半導(dǎo)體主要分為p-型(傳輸空穴)和 n-型(傳輸電子)材料。目前，n-型有機半導(dǎo)體材料的發(fā)展遠遠落后于p-型材料，主要表現(xiàn)在：1) n-型材料的遷移率普遍偏低；2) n-型材料的數(shù)量和種類遠少于p-型；3) 空氣中穩(wěn)定性不足3。缺乏優(yōu)秀的 n-型材料極大地限制了高性能有機光電器件的開發(fā)及應(yīng)用，因此開發(fā)新型高性能的n-型有機半導(dǎo)體材料顯得十分重要。

最近，蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張浩力教授課題組報道了一類兼具高遷移率與良好發(fā)光性能的 n-型有機半導(dǎo)體小分子，4,5,9,10-芘二酰亞胺(PyDI)衍生物。該工作提出了兩種可行的合成路線，在芘的非活潑位點，4、5、9、10位進行親電取代，可以得到多種 PyDI類衍生物。他們通過調(diào)控烷基鏈，并控制從溶液中的結(jié)晶條件，得到了高質(zhì)量的晶體，并進一步成功制備了單晶有機場效應(yīng)晶體管器件?；?PyDI的晶體管器件最高電子遷移率可以達到3.08 cm2·V?1·s?1，足以媲美經(jīng)典的苝二酰亞胺(PDI)和萘二酰亞胺(NDI)4,5。同樣重要的是PyDI以芘作為基本結(jié)構(gòu)，繼承了芘良好的發(fā)光特性，顯示出了良好的雙光子熒光性能。該工作同時發(fā)現(xiàn)，PyDI分子存在激基締合物現(xiàn)象，可以產(chǎn)生單體和激基締合物兩種熒光發(fā)射，可以被設(shè)計為基于單體-激基締合物的熒光探針，有廣泛的應(yīng)用前景。該研究與浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系李寒瑩教授課題組合作完成。

該研究工作近期已在 Angewandte Chem ie International Edition上在線發(fā)表6。該工作不僅提供了可行的合成路線，合成了一系列 PyDI分子及其衍生物，并且通過有效的性能調(diào)控，展示了PyDI分子較高的遷移率。此外，該分子兼具良好的發(fā)光性能，有望應(yīng)用在場效應(yīng)晶體管、有機電致發(fā)光、有機光伏器件和有機激光器等多種有機電子器件中。

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