卤原子取代苯并噻二唑聚合物给体材料的合成及其光伏性能研究

通过对苯并噻二唑单元进行氟、氯等卤原子取代,并同时调节烷基侧链的长度,设计合成了一系列基于苯并噻二唑四噻吩类的聚合物太阳电池材料.不同卤原子取代以及烷基侧链的长度都会影响聚合物的结晶性和薄膜聚集形貌从而改变其带隙和电荷传输性质.氟、氯原子的引入可调节聚合物的能级结构,而且相对于氟原子而言,具有更大原子半径的氯原子的引入可在更大尺度下调节能级结构,从而大幅提高相应太阳电池的开路电压,同时通过侧链的优化可进一步调节聚合物的微观聚集结构,改善器件能量转换效率.结果表明,在氯原子和氟原子共同作用的情况下,引入较长的侧链有利于提升聚合物的开路电压和短路电流,从而获得较好的器件性能.其中,以氯、氟共同取代的聚合物PCFBT4T-2OD与PC_(71)BM为活性层的器件性能最佳,能量转换效率可达8.84%.     

基于吡咯并吡咯二酮的二元和三元共轭聚合物的光电性能研究

设计合成了基于吡咯[3,4-c]并吡咯二酮(DPP)和烷氧基苯的二元共轭聚合物P1,并通过聚合中分别引入缺电子性第三单体二氟代苯并噻二唑(DFBT)和萘二酰亚胺(NDI),进一步得到三元聚合物P2和P3.结果显示,缺电子第三单体的设计引入能调节聚合物的吸光、能级并改变聚合物在薄膜状态下的聚集行为,从而影响材料的聚合物太阳能电池光电转换效率和有机场效应晶体管电荷迁移率,采取face-on聚集取向的P1在太阳电池中表现更好,而edge-on取向的P2则在晶体管中表现出更高的空穴迁移率.     

氟代寡聚噻吩系列衍生物的载流子传输性质的理论研究

基于密度泛函理论方法, 采用Marcus电荷转移公式, 分别从几何和电子结构、 重组能、 转移积分及迁移率等方面研究了氟代寡聚噻吩系列衍生物中噻吩环个数、 全氟代苯位置的改变及F原子的引入对体系载流子传输性质的影响. 计算结果表明, 化合物1b, 1c和1d的电子迁移率随着噻吩单元个数的增加而逐渐升高, 因此可以通过增加噻吩单元个数来提高其电子迁移率; 而对于化合物1d, 2a和2b而言, 氟代苯位置的改变对传输性质产生了较大的影响, 其中化合物1d具有良好的平面性和π-π堆积, 传输性能最好, 有望成为良好的双极性传输材料; 比较化合物2b与3可以发现, F原子的引入增大了化合物2b的载流子迁移率, 为实验设计高迁移率的传输材料提供了理论依据.     

苯并二噻吩为核的小分子光电化合物:共轭链段拓展方向的影响

不同维度共轭拓展有机光电基元对于丰富其在材料设计中的应用方式及了解其结构性能关系有着十分重要的意义.基于苯并二噻吩对称且规整的π共轭平面结构,以噻吩与苯并噻二唑组合而成的给受体共轭侧臂,分别沿其2,6位(横向)、4,8位(竖向)或两方向都(十字交叉)拓展其共轭体系,设计合成了三个化合物.研究表明,相比竖向连接,横向共轭修饰更有利于获得红移的光谱吸收性质、较窄的带隙和更规整的晶态结构,但是其最高已占轨道(HOMO)能级较高.而十字交叉型化合物,则同时拥有较宽广的光吸收谱图和较强的光吸收强度,最终有利于其电池器件获得较大的闭路电流.     

基于苯乙烯和苯并噻二唑共聚场效应发光高分子材料的设计合成及性能研究

共轭高分子材料由于其优异的光电性能和可溶液加工等特性在有机光电器件中具有重要应用.本工作采用Stille偶联和Suzuki聚合反应,合成了两个由经典发光基元苯乙烯片段和共轭吸电子结构基元苯并噻二唑共聚的高分子材料聚（1,2-双（2,5-双（异辛氧基）亚苯基亚乙烯基-2,1,3-苯并噻二唑））（PVBT）和聚（1,2-双（2,5-双（正辛氧基）亚苯基亚乙烯基-2,1,3-苯并噻二唑））（nPVBT）.通过凝胶渗透色谱（GPC）、元素分析及差式扫描量热法（DSC）对PVBT和nPVBT两种高分子材料的结构及热稳定性进行表征,结果表明它们均具有良好的热稳定性,分解温度约380℃.由于烷氧基链的存在,两个材料具有良好的溶解性及成膜加工性.PVBT和nPVBT均表现出优异的发光特性,最大发射波长在590~605 nm范围,溶液下荧光量子产率为23%~35%,固态薄膜下量子产率为12%~20%.以这两个高分子材料薄膜作为活性层,所制备的顶栅-底接触型有机场效应晶体管器件显示出典型的p型电荷传输性能,空穴迁移率可达1.1×10^-4 cm²·V^-1·s^-1,开关比为10³~10⁴.本研究为发展高性能光电集成高分子材料提供了新思路,有望推动有机光电集成器件的研究.     

用基于苯并噻二唑衍生物的比率荧光化学传感器检测氟离子

研制了一种用于灵敏、快速地检测溶液中的氟离子的基于苯并噻二唑衍生物的荧光传感器.4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑与三甲基硅基乙炔通过Sonogashira偶联反应得到二取代的三甲基硅基乙炔苯并噻二唑;将该化合物用于检测氟离子,分析了检测灵敏度和选择性.结果表明,在乙腈和水(V/V=9∶1)混合溶液中,合成的苯并噻二唑衍生物的最大发射波长峰值为455nm(激发波长为376nm);就所测试的F-,Cl-,Br-,I-,ClO4-,AcO-,NO3-,H2PO3-,CN-和HSO4-等阴离子而言,仅F-可以脱除三甲基硅保护基使得该化合物荧光最大发射波长蓝移至435nm,荧光强度降低60%,且最低检测限可达4.5×10-8 mol/L.因此,二取代的三甲基硅基乙炔苯并噻二唑应用于氟离子检测具有很好的灵敏度和选择性.     

含苯并噻二唑的二维有机染料的合成与光伏性能研究

通过引入烷基二噻吩苯并噻二唑窄带隙基元到D-π-A有机染料体系中,设计并合成了两种二维结构的有机染料DD2和DH2,系统地研究了以烷基二噻吩苯并噻二唑基元作为侧基或桥联基元对染料敏化剂的光物理性能、电化学性能和光伏性能的影响.含有烷基二噻吩苯并噻二唑基元的这两种染料都具有较宽的吸收光谱.在氙灯光源(100mW?cm-2,AM 1.5 G)下,基于有机染料DH2和DD2的染料敏化太阳能电池的能量转换效率分别为1.67%和3.26%.采用鹅去氧胆酸(CDCA)共吸附剂优化后,染料DH2表现出较好的抗聚集能力,能量转换效率几乎没有变化;而DD2的能量转换效率提高到了5.53%.     

含杂原子的并五苯类似物合成及场效应性能研究

以N,N'-二苯基-1,4-苯二胺为原料, 合成了含硫和氮杂原子的并五苯类似物, 用可见-紫外吸收光谱和电化学测试对这类化合物进行表征, 确定了其光学带隙及轨道能级, 与并五苯相比它们具有低的最高占用分子轨道能级. 得到了三苯并二噻嗪的单晶结构, 分子具有平面结构, 分子间具有强的π…π相互作用和N…S相互作用. 首次将该类并五苯类似物应用于有机薄膜场效应晶体管中, 器件显示好的场效应特性, 迁移率为0.01 cm²·V^-1·s^-1.     

聚对苯撑乙烯类电致发光材料研究进展

从聚合物结构修饰、复合/共混以及合成工艺等方面概述了近十多年来聚对苯撑乙烯衍生物的研究进展和发展趋势.为获得高效、稳定、可溶的PPVs型有机光电材料,可通过引入吸电子基团(如氟原子、氰基、含氮杂环等)等对其结构进行修饰来改善其平衡电荷传输的能力进而提高其发光效率;同时,通过引入长链取代基和液晶单元结构来兼顾聚合物的溶解性和稳定性,以提高材料的可加工性和器件的稳定性.通过复合/共混可以控制聚合物膜的聚集态来提高发光效率.     

3-杂环基硫取代-1,3,4,5-四氢-2-氧代-苯并氮杂衍生物的合成

以芳酰肼为原料,合成了一系列3-巯基-5-芳基-1,2,4-三唑、2-巯基-5-芳基-1,3,4-噁二唑和2-巯基-5-芳基-1,3,4-噻二唑,并通过硫原子对3-溴-2-氧代-苯并氮杂3-位上的亲核取代反应将杂环化合物引入了苯并氮杂的结构当中,合成了32个新的苯并氮杂杂环衍生物.为提高其在有机溶剂中的溶解性,在苯并氮杂的N原子上引入乙酸乙酯和乙酸叔丁酯基取代基,合成了36个新衍生物.所有化合物经质谱、核磁共振谱及元素分析确证了结构并初步测定了抗菌活性.     

3-杂环基硫取代-1,3,4,5-四氢-2-氧代-苯并氮杂衍生物的合成

以芳酰肼为原料, 合成了一系列3-巯基-5-芳基-1,2,4-三唑、2-巯基-5-芳基-1,3,4-噁二唑和2-巯基-5-芳 基-1,3,4-噻二唑, 并通过硫原子对3-溴-2-氧代-苯并氮杂3-位上的亲核取代反应将杂环化合物引入了苯并氮杂的结构当中, 合成了32个新的苯并氮杂杂环衍生物. 为提高其在有机溶剂中的溶解性, 在苯并氮杂的N原子上引入乙酸乙酯和乙酸叔丁酯基取代基, 合成了36个新衍生物. 所有化合物经质谱、核磁共振谱及元素分析确证了结构并初步测定了抗菌活性.     

综合研究DPE添加剂对含5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑给-受体共聚物的光伏性能影响（英文）

合成了三个以5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑为受体,2,5-双-(2-辛基-十二烷氧基)-1,4-双(噻吩并[3,2-b]噻吩基)苯和2,5-双-(2-辛基-十二烷氧基)-1,4-双(硒吩基)苯为给体的给-受体型共聚物(PBT2F-TT-a,PBT2F-TT和PBT2F-Se).这三个聚合物与PC71BM共混制备成了本体异质结聚合物太阳能电池.通过原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、交流阻抗谱(ACIS)、空间电荷限制电流(SCLC)和短路电流密度-入射光光强(JSC-Plight)测试方法系统研究了二苯醚(DPE)对活性层的形貌、载流子迁移率以及光伏性能的影响.实验结果表明DPE有助于提高共混膜载流子的迁移率,同时器件的光伏性能也得到改善.此外,PBT2F-Se器件的SCLC实验数据揭示了平衡的空穴和电子迁移率有利于提高器件的短路电流密度.     

综合研究DPE添加剂对含5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑给-受体共聚物的光伏性能影响

合成了三个以5,6-二氟-苯并[1,2,5]噻二唑为受体,2,5-双-（2-辛基-十二烷氧基）-1,4-双（噻吩并[3,2-b]噻吩基）苯和2,5-双-（2-辛基-十二烷氧基）-1,4-双（硒吩基）苯为给体的给-受体型共聚物（PBT2F-TT-a,PBT2F-TT和PBT2F-Se）.这三个聚合物与PC₇₁BM共混制备成了本体异质结聚合物太阳能电池.通过原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）、交流阻抗谱（ACIS）、空间电荷限制电流（SCLC）和短路电流密度-入射光光强（J_SC-P_light）测试方法系统研究了二苯醚（DPE）对活性层的形貌、载流子迁移率以及光伏性能的影响.实验结果表明DPE有助于提高共混膜载流子的迁移率,同时器件的光伏性能也得到改善.此外,PBT2F-Se器件的SCLC实验数据揭示了平衡的空穴和电子迁移率有利于提高器件的短路电流密度.     

n-型有机半导体插入层提高p-型并五苯薄膜晶体管性能(英文)

在金电极和p-型并五苯有源层之间插入n-型有机半导体层显著提高了并五苯薄膜场效应晶体管的性能。在插入2nm厚的N,N-bis(2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-pentadecafluorooctyl)-1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylicdiimide(NTCDI-C8F)和N,N′-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide(PTCDI-C8)层后,器件的阈值电压由-19.4V显著降低到-1.8和-8.7V、迁移率提高了约2倍、电流开关比保持在105~106。这为通过简单地在电极和有机半导体有源层之间引入其他有机半导体薄层的方法来构建具有低阈值电压和高迁移率特征的有机薄膜场效应晶体管器件提供思路。     

二萘嵌苯二酰亚胺衍生物的半导体性质

应用密度泛函理论研究了四种二萘嵌苯二酰亚胺(PDI)(N,N'-二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺(1), N,N'-二(3-氯苯甲基)二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺(2), N,N'-二(3-氟苯甲基)二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺(3)和N,N'-二(3,3-二氟苯甲基)二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺(4))半导体材料的最高占据轨道和最低未占据轨道能量、离子化能和电子亲和能以及在电荷传导过程中的重组能. 与化合物2-4的最高占据轨道和最低未占据轨道能量变化相同, 在PDI分子外围引入氯苯甲基或氟苯甲基后导致化合物2-4的绝热电子亲和能有不同程度的增加. 应用Marcus电子传导理论, 计算了这四种半导体材料应用于有机场效应晶体管在电子传递过程中的电子耦合和迁移率. 计算结果表明:这四种化合物相对于金属金电极而言具有较小的电子注入势垒, 是优良的n型半导体材料. 计算的这四种半导体材料的电子传输迁移率分别为5.39, 0.59, 0.023和0.17 cm2·V-1·s-1. 通过研究化合物分子在还原过程中几何结构变化和在化合物3晶体中不同类型的电子传递路径, 合理地解释了化合物1-4在有机场效应晶体管电荷迁移过程中具有较高的电子迁移率.     

苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的结构修饰及在有机光伏材料中的应用

近年来,苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene,BDT)作为构筑给体-受体结构有机半导体材料的优良电子给体,受到越来越多的重视,已广泛应用于场效应晶体管和有机光伏电池等领域。BDT类有机共轭材料具有优良的能级结构,同时又具有较高的载流子迁移率,目前报道的基于BDT的有机共轭聚合物的最高光电转换效率达到9.2%(单节光伏器件的最高效率),显示了其在有机太阳能电池领域巨大的应用前景。本文从BDT的结构修饰出发,系统地综述了基于BDT的有机光伏材料的最新研究进展,重点讨论BDT类光伏材料能级结构和聚集态形貌对光电性能的影响。     

2-氨基-5-[二-(4-氟苯)甲基]硫代-1,3,4-噻二唑席夫碱的微波合成及表征

2,5-二取代-1,3,4-噻二唑具有杀虫、杀菌、除草、调节植物生长以及药理活性等多种功效[1-5],因而该类化合物的研究迄今仍方兴未艾.近年来,很多文献报道含芳环或芳杂环的席夫碱化合物具有很高的生物活性,因而也引起人们的高度重视[6,7].由于氟原子具有模拟效应、电子效应等特殊性质,氟原子与含氟基团的引入有时可使化合物的生物活性倍增,近年也公认含氟化合物对环境的影响最小[8].鉴于不同活性的基团在同一分子中聚集能明显改善化合物的生物活性这一特性,本文将二-(4-氟苯)甲基引入到1,3,4-噻二唑Schiff碱类化合物中,以期实现活性的叠加,有可能发现新型生物活性更好的化合物.该类化合物的合成一般采用常规加热法,但具有反应时间长,收率不高,溶剂使用量大等缺点.     

新型蓝光材料: 氟代三联(9,9-二苯基)芴的合成及其光电性能研究

使用HF/吡啶法在芴环的4位引入了氟原子, 使用五氟氯苯格氏试剂在芴环的9位引入了全氟苯, 合成了五个氟取代三联(9,9-二苯基)芴化合物. 测量了该系列化合物的电化学、光学和电致发光性能, 氟原子的引入提高了化合物的电子传输能力. 在溶液和薄膜状态下, 该类化合物都呈现出稳定的蓝光发射(色坐标x＝0.156, y＝0.078). 由化合物6f制备的简单器件的启亮电压为6 V, 最大亮度为452 cd/m2.     

n-型有机半导体插入层提高p-型并五苯薄膜晶体管性能

在金电极和p-型并五苯有源层之间插入n-型有机半导体层显著提高了并五苯薄膜场效应晶体管的性能。在插入2 nm厚的N,N-bis（2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-pentadecafluorooctyl） -1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic diimide（NTCDI^-C8F）和N,N’-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide （PTCDI^-C8）层后,器件的阈值电压由-19.4 V显著降低到-1.8和-8.7 V、迁移率提高了约2倍、电流开关比保持在10⁵~10⁶。这为通过简单地在电极和有机半导体有源层之间引入其他有机半导体薄层的方法来构建具有低阈值电压和高迁移率特征的有机薄膜场效应晶体管器件提供思路。     

含苯并噻二唑的吩噻嗪染料分子的设计合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

设计合成了三种含苯并噻二唑的吩噻嗪类有机染料光敏剂JY50~JY52,在对其光物理和电化学性质进行研究的基础上,使用三种染料对纳米TiO₂电极进行敏化制备太阳能电池器件,并系统研究了其光电转化效率及电荷传输阻抗等光伏特性.研究结果表明,在染料分子中引入共轭基团有助于其摩尔吸光系数的提升,从而提升光电流.两个长烷基链的引入能够有效地抑制染料分子激发态电子在TiO₂光阳极表面的电子复合,从而提升其电子注入效率.其中,在AM 1.5（100 mW·cm^-2）的模拟光强下,基于碘电解质的染料JY51电池器件获得了7.61%的光电转化效率.