基于氟代异靛蓝并[7,6-g]异靛蓝的共轭聚合物的合成及其半导体性质

采用Stille缩聚,合成了3个异靛蓝并[7,6-g]异靛蓝(DIID)和乙烯单元交替排列的共轭聚合物P0F、P2F和P4F,三者在DIID单元中分别含0、2和4个氟原子(F).3个聚合物均具有良好的平面性,前线分子轨道几乎在整个共轭骨架上离域.它们均具有宽的吸收光谱,吸收范围在400~1000 nm,光学带隙约为1.25 eV;随着氟原子数目的增加,聚合物的最高占有分子轨道(HOMO)和最低空分子轨道(LUMO)能级依次下降0.1~0.2 eV.以这3个聚合物作为活性层,制备了顶栅-底接触型有机场效应晶体管器件,随着氟原子数目的增加,聚合物的传输性质由双极传输变为n型传输.P0F和P2F是双极传输型聚合物,空穴迁移率(μ_h)分别达到0.11和0.30 cm~2 V~(-1) s~(-1),电子迁移率(me)分别达到0.22和1.19 cm~2 V~(-1) s~(-1).P4F是n型聚合物,me达到0.18 cm~2 V~(-1) s~(-1).     

MX2型二维半导体载流子迁移率理论预测

为找到未来半导体晶体管合适的沟道材料,计算了14种MX_2(其中M=Mo,W,Sn,Hf,Zr和Pt,X=S,Se和Te)型二维半导体载流子有效质量、带隙以及电子和空穴迁移率。在计算过程中,为了快速对载流子迁移率进行估计,利用形变势的近似电声耦合矩阵元。计算时考虑长波光学声子和声学声子的散射,而在极化晶体中,考虑了极化散射。计算结果表面,WS_2,PtS_2以及PtSe_2具有最高的电子迁移率以及非零的带隙。其中,PtSe_2的电子在室温下的理论迁移率上限为4000 cm~2·V~(-1)·s~(-1),而W,Hf和Zr的二维化合物室温时的空穴迁移率较高,其中含W的化合物理论迁移率上限到2600 cm~2·V~(-1)·s~(-1)。该计算研究为实验合成高迁移率的二维材料提供指导,同时为实验获得高性能以二维材料作为沟道的场效应晶体管提供参考,加速二维材料的应用。     

Theoretical Investigation on the Charge Transport Properties of 2,5-Di(cyanovinyl)-thiophene/furan with the Kinetic Monte Carlo Method

Exploring, designing, and synthesizing novel organic field-effect transistor(OFET) materials have kept an important and hot issue in organic electronics. In the current work, the charge transport properties for 2,5-di(cyanovinyl)thiophene/furan crystal associating two pentafluorophenyl units linked via the azomethine bond, CTE and CFE have been theoretically investigated by means of density functional theory(DFT) calculations coupled with the incoherent charge-hopping mechanism and the kinetic Monte Carlo simulation. Results show that these two compounds possess remarkably low-lying HOMO(–7.0 eV) and LUMO(–4.0 e V) levels, as well as large electron affinities( 3.0 e V), which indicate their high stability exposed to air as promising OFET materials. However, the μh value at room temperature(T = 300 K) is predicted to be 2.058×10~(-7) cm~2·V~(-1)·s~(-1), and the μe is as low as 9.834×10~(-8) cm~2·V~(-1)·s~(-1) for CFT crystal. Meanwhile, these two values are 7.561 × 10~(-8) and 8.437 × 10~(-8) cm~2·V~(-1)·s~(-1) for the CFE crystal, respectively. Furthermore, the simulation of angle-dependent mobility in the a-b, a-c, and b-c crystal planes shows that the charge transport in CTE and CFE crystals is remarkably anisotropic, which maybe is helpful for the fabrication of high-performance OFET devices.     

含硒杂环萘二酰亚胺衍生物的合成及其场效应性能研究

萘二酰亚胺(NDI)类化合物由于其较好的平面性和较强的接受电子能力,被广泛应用于有机场效应晶体管(OFETs)和有机太阳能电池中(OSCs)。然而,高迁移率的n型和双极性NDI类半导体材料较少。基于此,本文设计合成了核位硒杂环修饰的NDI衍生物,通过引入1,2-二硒苯和1,2-二硒萘基团,对其能级进行了有效的调控,获得了两个新型的窄带隙NDI衍生物。通过溶液旋涂法,制备了两种材料的底栅底接触场效应晶体管器件,二者在空气中都表现出n型半导体特性,退火温度为120℃时性能达到最优,分别为1×10~(-3)cm~2·V~(-1)·s~(-1)(4)和5×10~(-3)cm~2·V~(-1)·s~(-1)(5)。同时,通过原子力显微镜和X射线衍射对材料薄膜的退火过程进行了研究。     

Rhodanine flanked indacenodithiophene as non-fullerene acceptor for efficient polymer solar cells

A fused-ring electron acceptor IDT-2BR1 based on indacenodithiophene core with hexyl side-chains flanked by benzothiadiazole rhodanine was designed and synthesized.In comparison with its counterpart with hexylphenyl side-chains(IDT-2BR),IDT-2BR1exhibits higher highest occupied molecular orbital(HOMO)energy but similar lowest unoccupied molecular orbital(LUMO)energy(IDT-2BR1:HOMO=-5.37eV,LUMO=-3.67eV;IDT-2BR:HOMO=-5.52eV,LUMO=-3.69eV),red-shifted absorption and narrower bandgap.IDT-2BR1 has higher electron mobility(2.2×10~(-3)cm~2 V~(-1)s~(-1))than IDT-2BR(3.4×10~(-4)cm~2 V~(-1)s~(-1))due to the reduced steric hindrance and ordered molecular packing.Fullerene-free organic solar cells based on PTB7-Th:IDT-2BRl yield power conversion efficiencies up to 8.7%,higher than that of PTB7-Th:IDT-2BR(7.7%),with a high open circuit voltage of0.95 V and good device stability.     

蒽类衍生物的电荷传输性质

以具有较高迁移率的对称取代类蒽的衍生物{2,6-二[2-(4-戊基苯基)乙烯基]蒽,DPPVAnt;2,6-二-噻吩蒽,DTAnt;2,6-二[2-己基噻吩]蒽,DHTAnt}为研究对象,采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G(d)的基组水平上研究了三种蒽类衍生物的分子结构、电子结构、重组能和电荷传输积分,采用Einstein关系式计算了室温下的载流子迁移率,并与蒽的相关计算结果进行了比较.DPPVAnt是较好的空穴传输材料,其空穴迁移率为0.49cm2·V-1·s-1;DHTAnt有利于电子传输,其电子迁移率为0.12cm2·V-1·s-1;而DTAnt是一种较好的双极性材料,其空穴迁移率和电子迁移率分别为0.069和0.060cm2·V-1·s-1.计算得到的迁移率与实验结果处于同一数量级.三种蒽类衍生物的电子重组能与蒽的相近,而空穴重组能均大于蒽的空穴重组能,大小顺序为蒽DPPVAntDTAntDHTAnt.这与计算的迁移率结果不一致,说明分子的堆积结构决定材料的电荷传输性质.     

基于CH_3NH_3Pbl_3单晶的Ta_2O_5顶栅双极性场效应晶体管（英文）

具有无机-有机杂化钙钛矿结构的CH_3NH_3Pbl_3通常偏向于显示n型半导体特性,本文以五氧化二钽(Ta_2O_5)作为绝缘层,制备了基于钙钛矿CH_3NH_3Pbl_3单晶的顶栅结构场效应晶体管,暗态下更明显地观察到了CH_3NH_3Pbl_3所具有的p型场效应特性,空穴场效应迁移率达到8.7×10~(-5)cm~2·V~(-1)·s~(-1),此暗态空穴迁移率比原有报道的基于CH_3NH_3Pbl_3多晶薄膜的SiO_2底栅场效应晶体管提高了一个数量级。此外,光照对CH_3NH_3Pbl_3单晶场效应晶体管的性能有强烈影响。与底栅结构CH_3NH_3Pbl_3多晶场效应晶体管不同,即使有栅极和绝缘层的遮挡,5.00 mW·cm~(-2)的光照仍可使CH_3NH_3Pbl_3单晶场效应晶体管的空穴电流提高一个数量级(V_(GS)(栅源电压)=V_(DS)(漏源电压)=20 V),光响应度达到2.5 A·W~(-1)。本文工作实现了对CH_3NH_3Pbl_3场效应晶体管载流子传输的选择性调控,表明在没有外部因素的参与下,通过合适的器件设计,CH_3NH_3Pbl_3同样具有制备成双极性晶体管的潜力。     

高迁移率聚合物半导体材料最新进展

自20世纪80年代以来,聚合物半导体材料及其薄膜场效应晶体管器件(OFETs)已取得系列突破性进展.目前,已有数百种聚合物半导体材料被成功应用于OFETs中,空穴迁移率值最高已达36.3 cm~2·V~(-1)·s~(-1),可与有机小分子半导体材料甚至可同无定形硅相媲美.综述了近年来国内外高迁移率聚合物半导体的最新进展.分类对比总结和评述了空穴传输型(p-型)、电子传输型(n-型)和双极传输型聚合物半导体材料,并对聚合物半导体材料分子设计思路、薄膜OFETs器件制备及其性能参数进行了重点阐述.同时,总结了聚合物半导体材料的分子结构、聚集态结构与OFETs器件性能之间的内在关系,为今后设计与合成综合性能优异的聚合物半导体材料提供一定理论指导.     

基于异靛青的聚合物场效应晶体管材料研究进展

20世纪80年代以来,有机电子学领域的研究取得了很大进展.有机半导体材料凭借其成本低、质量轻、柔性好、易修饰、可大面积溶液加工等特点吸引了学术界以及工业界的极大关注.其中,第三代有机共轭聚合物,给-受体(Donor-Acceptor,简称D-A)共轭聚合物材料的发展尤为迅速.最近,以异靛青(Isoindigo,IID)类结构作为受体片段的D-A共轭聚合物被发现具有优异的性能,特别是在聚合物场效应晶体管器件中获得了最高3.62 cm~2·V~(-1)·s~(-1)的空穴迁移率,其衍生物获得14.4 cm~2·V~(-1)·s~(-1)的空穴迁移率,具有良好的应用前景.综述了近年来国内外关于异靛青结构在聚合物场效应晶体管材料中的应用,对其分子结构设计、器件制备以及构效关系做了详细介绍,希望为今后异靛青类化合物的应用拓展提供指导思路.     

C_(60)与MoO_3混合材料做空穴注入层的单层有机电致发光器件

我们制备研究了基于结构为氧化铟锡(ITO)/C_(60)(1.2nm):MoO_3(0.4nm)/1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯(TPBi):三(2-苯基吡啶)铱[Ir(ppy)_3](33%,90 nm)/LiF (0.7 nm)/Al (120 nm)的高效绿色磷光单层有机发光二极管(OLED)。分别将C_(60),MoO_3与C_(60):MoO_3混合物作为空穴注入层(HIL)作为对比。TPBi在发光层中起着主体以及电子传输材料的双重作用。在使用电子传输型主体的单层OLED中,空穴注入层性质对于调节电子/空穴注入以获得电荷载流子传输平衡起重要作用。因此,适当调节空穴注入层是实现高效单层OLED的关键因素。由于MoO_3较大的电子亲和能(6.37 eV)会诱导电子从C_(60)的最高占据分子轨道(HOMO)能级转移至MoO_3,从而形成C_(60)阳离子,并使得Mo元素的价态从+6降至+5,C_(60):MoO_3混合就可以较好的调节空穴注入性质。最终实现最大电流效率为35.88 cd·A~(-1)的单层有机发光器件。     

咔唑衍生物DiPICz载流子传输性能的理论研究

依据Marcus理论, 在密度泛函理论水平下对咔唑衍生物Dibenzo[2,3: 5,6]pyrrolizino[1,7-bc]indolo-[1,2,3-lm]carbazole(DiPICz)的电子结构和传输性质进行系统研究. 计算结果表明, DiPICz的电子迁移率(5.81×10^-2 cm²·V^-1·s^-1)反常地高出空穴迁移率(6.02×10^-4 cm²·V^-1·s^-1)2个数量级, 表明稠合修饰可能是一种潜在的转变传输材料极性的手段. 分析发现, 导致DiPICz具有较好电子传输性质的原因在于相对较小的电子重组能和较好的晶体堆积方式. 在其鱼骨型堆积的晶体中, 存在着滑移的π-π及边对面的 CH…N和CH…π相互作用. 这些相互作用由于形成二维的电荷传输通道, 从而在电子传输中起着重要作用.     

D-A Copolymers Based on a Pentacyclic Acceptor Unit and a 3,3′-Difluoro-2,2′-bithiophene for Solar Cells

A D-A copolymer, P2FBTTPTI, was developed by copolymerizing a pentacyclic acceptor unit, thieno[2′,3′:5,6]pyrido[3,4-g]thieno[3,2-c]isoquinoline-5,11(4 H,10 H)-dione(TPTI), with 3,3′-difluoro-2,2′-bithiophene(2 FBT). P2 FBTTPTI possessed a low highest occupied molecular orbital(HOMO) energy level(-5.50 e V) and a good hole mobility(4.14 × 10~(-4) cm~2·V~(-1)·s~(-1)). P2FBTTPTI:PC_(71)BM solar cells gave a decent power conversion efficiency(PCE) of 7.64% and a high open-circuit voltage(V_(oc)) of 0.95 V.     

Nafion基氧化还原聚合物在空气中的电荷传输性能

利用三明治电池和伏安法测试了不同制备条件的Nafion基氧化还原聚合物膜在空气中的电荷传输性能. 研究结果表明, 混合适量聚乙二醇(PEG)的Nafion基金属联吡啶配合物{Nafion[M(bpy)2+3, PEG](M=Ru, Fe)}膜的表观电荷传递扩散系数(Dct)达到10-6-10-7 cm2·s-1 , 电子或空穴迁移率(μ)达到10-4-10-5 cm2·V-1·s-1. 在导电玻璃(ITO)电极与Nafion基氧化还原聚合物膜界面引入一层导电聚苯胺(PANI)后, 降低了其接触电阻, 使氧化还原聚合物膜的Dct提高至10-5-10-6 cm2·s-1, μ提高至10-3-10-4 cm2·V-1·s-1, 且工作电流提高了近两个数量级. 该固态氧化还原聚合物膜的性能比较稳定, 在空气中放置30天后其Dct和μ降低得很少.     

High-performance organic semiconductors: asymmetric linear acenes containing sulphur

Two new linear acenes with fused thiophene units have been synthesized. These acenes have conjugation lengths between anthracene and pentacene. Thin films of these linear molecules were characterized by ultraviolet spectroscopy, X-ray diffraction, atomic force microscopy (AFM), and field-effect transistor measurements. Submonolayer AFM studies show growth that greatly resembles pentacene, while thin-film growth is dendritic. Mobilites as high as 0.47 cm2 V-1 s-1 have been found for the tetraceno[2,3-b]thiophene and are as high as 0.15 cm2 V-1 s-1 for anthra[2,3-b]thiophene.     

十字交叉型π共轭分子3,6-二苯-1,2,4,5-(2′,2″-二苯基)-苯并二噁唑的电子结构和电荷传输性质的理论研究

采用密度泛函理论的B3LYP方法, 在6-31G(d)基组水平下研究了以三联苯和二苯基苯并噁唑构成的十字交叉型共轭分子3,6-二苯基-1,2,4,5-(2′,2″-二苯基)-苯并二噁唑的电子结构和电荷传输性质. 通过对分子的重组能和晶体中分子间电荷传输积分的计算得到该分子的空穴迁移率为0.31 cm²·V^-1·s^-1, 电子迁移率为0.11 cm²/(V·s). 计算结果表明, 空穴的传输主要是通过三联苯方向上两端苯环的“边对面”的相互作用以及分子中心π体系的错位重叠相互作用来实现的. 而电子的传输路径主要是通过苯并噁唑方向的π-π重叠相互作用来实现. 通过分析分子正负离子态的Mulliken电荷发现, 正电荷较多分布在三联苯方向上, 而负电荷较多分布在苯并噁唑方向上. 计算结果表明, 电子和空穴的传输分别在分子相互交叉的不同方向上, 有利于电子和空穴的平衡传输.     

Theoretical study of substituent effect on the charge mobility of 2,5-bis(trialkylsilylethynyl)-1,1,3,4-tetraphenylsiloles

The theoretical calculation of the charge mobility of 2,5-bis(trialkylsilylethynyl)-1,1,3,4-tetraphenylsiloles is presented. B3LYP/6-31* calculations demonstrated that these silole molecules possessed large coupling matrix elements and reorganization energies for electron and hole transfers and high electron mobilities. The bulkiness of the trialkyl substituents influenced the charge mobility of the silole molecules, with the smaller trimethyl group imparting higher charge mobility than triethyl and triisopropyl substituents.     

New 5-Octyl-thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione Based Polymers: Synthesis and Photovoltaic Properties

Two donor-acceptor conjugated polymers, namely poly{4,8-bis(5-(2-ethylhexyl) thiophen-2-yl)benzo[1,2-b:4,5-b']difuran-alt-5-octyl-4H-thieno[3,4-c]pyrrole-4,6(5H)-dione}(PBDFTTPD) and poly{4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b: 4,5-b']dithiophene-alt-5-octyl-4H-thieno[3,4-c]pyrrole-4,6(5H)-dione}(PBDTTTPD), were synthesized by Stille coupling polymerization reactions. Their structures were verified by ¹H-NMR and elemental analysis, the molecular weights were determined by gel permeation chromatography and the thermal properties were investigated by thermogravimetric analysis. The polymer films exhibited broad absorption bands. The hole mobility of PBDFTTPD:PC₇₁BM(1:2, w/w) blend reached up to 5.5 × 10^?2 cm² v^?1 s^?1 by the space-charge-current method. Preliminary photovoltaic cells based on the device structure of ITO/PEDOT:PSS/PBDFTTPD:PC₇₁BM(1:2, w/w)/Ca/Al showed a power conversion efficiency of 2.32% with an open-circuit voltage of 0.90 V and a short circuit current of 4.40 mA cm^?2.     

二邻苯二胺合镍(Ⅱ)载流子传输性能的理论研究

利用密度泛函理论UB3LYP方法, 对二邻苯二胺合镍(Ⅱ)(PHDANI)的基态和离子态几何结构进行全优化, 模拟其双自由基特性. 运用势能面曲线法计算了PHDANI的空穴和电子重组能. 从晶体结构中选出所有可能最近的载流子传输路径, 计算相应的传输积分, 结合Marcus电荷转移理论探讨PHDANI的载流子传输性质. 计算结果表明, 在单重态双自由基特性下, 空穴和电子的迁移率分别达到0.253和0.135 cm²·V^-1·s^-1, 空穴和电子传输迁移率都很高且能达到平衡, 从理论层面上阐明了PHDANI可以作为很好的双极性传输材料.     

A structurally ordered thiophene-thiazole copolymer for organic thin-film transistors

This paper reports a new donor-acceptor copolymer semiconductor, PTBTh, comprising bithiophene and bithiazole where the regular coplanar structure and the intramolecular charge transfer are expected to increase the opportunity for --- stacking and charge transport. The AFM image shows lamellar stacking of the polymer on the surface. The field-effect transistor (FET) properties of PTBTh have been evaluated by a bottom-contact/bottom-gate TFT configuration. The device showed a high hole mobility of 1.14×10-2 cm2 V-1 s-1 and a current on/off ratio of 3×105 with the polymer thin film annealed at a mild temperature of 120 ℃ when measured under ambient conditions.