有機(jī)半導(dǎo)體對有機(jī)電子器件的發(fā)展和應(yīng)用至關(guān)重要。在過去幾十年里,p型有機(jī)半導(dǎo)體取得了巨大的發(fā)展,相比之下,n型有機(jī)半導(dǎo)體在分子結(jié)構(gòu)多樣性和器件性能方面(如電子遷移率)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于p型有機(jī)半導(dǎo)體,急需提升其性能表現(xiàn)。多稠環(huán)梯型共軛分子因具有良好的溶解性、易調(diào)控的前線分子軌道能級和良好的骨架平面性被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)高性能的p型有機(jī)半導(dǎo)體。而本論文中,我們通過引入強(qiáng)的拉電子單元,旨在利用多稠環(huán)梯型共軛單元來設(shè)計(jì)合成新型的n型有機(jī)半導(dǎo)體并開展電子器件性能研究。通過改變強(qiáng)拉電子單元在多稠環(huán)梯型共軛單元上的連接位置和方式,多稠環(huán)梯型共軛分子可用來設(shè)計(jì)兩類n型有機(jī)半導(dǎo)體。在多稠環(huán)梯型共軛分子的兩端連接強(qiáng)拉電子單元可設(shè)計(jì)A-D-A型非富勒烯受體;在多稠環(huán)梯型共軛分子的骨架中引入拉電子的基團(tuán)可設(shè)計(jì)具有n型傳輸性質(zhì)的多稠環(huán)梯型共軛分子。最終,通過設(shè)計(jì)合成一些新型的多稠環(huán)梯型共軛單元,然后引入強(qiáng)拉電子單元,我們設(shè)計(jì)合成出了一些具有高性能的n型有機(jī)半導(dǎo)體。首先,含有硒原子的五元梯型稠環(huán)單元(IDSe)被用來設(shè)計(jì)合成一種A-D-A型的非富勒烯受體材料(IDSe-T-IC)�；贘51:IDSe-T-IC的聚合物太陽能電池最大的PCE為8.6%,Voc為0.91 V,Jsc為15.20 m A cm~(-2),填充因子(FF)為62.0%。基于J51:IDSe-T-IC電池器件的性能相比同等器件制備條件下基于J51:PC71BM的太陽能電池的器件性能(PCE=6.0%)高出很多。其次,通過增加五元梯型稠環(huán)單元(IDT)的稠環(huán)個數(shù),我們將IDT從五元稠環(huán)擴(kuò)增至十元稠環(huán)并設(shè)計(jì)合成了具有十元稠環(huán)的梯型單元IDTIDT�；谠撌菪统憝h(huán)單元,我們得到了A-D-A型非富勒烯受體材料IDTIDT-IC。以IDTIDT-IC為受體PTB7-Th為給體的太陽能電池最高的PCE為6.5%,Voc為0.94V,Jsc為14.49 m A cm~(-2),填充因子(FF)為47.5%。而且,基于受體材料IDTIDT-IC的太陽能電池在高外量子效率(EQE為63%)的同時表現(xiàn)出較小的能量損失(0.59e V)。最后,我們將傳統(tǒng)的多稠環(huán)梯型單元(IDT)中的環(huán)戊二烯替換成環(huán)戊二酰亞胺。于是,具有富電子性的IDT單元可以被轉(zhuǎn)換成具有缺電子性的BBI單元�；谠揃BI單元我們也設(shè)計(jì)合成了三個D-A型共聚物,這三個共聚物均表現(xiàn)出n型的傳輸性質(zhì)并具有較高的電子遷移率,最高電子遷移率可以達(dá)到0.34 cm~2 V~(-1)s~(-1)。由此可見,多稠環(huán)梯型共軛單元可作為基本的分子構(gòu)造單元用于設(shè)計(jì)高性能的n型有機(jī)半導(dǎo)體,例如A-D-A型的非富勒烯受體或具有n型傳輸特性的D-A共聚物,并應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池或有機(jī)場效應(yīng)晶體管中。
【學(xué)位單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O649.5
【部分圖文】：

圖 1-1A-D-A 型非富勒烯受體材料結(jié)構(gòu)示意圖1.2.2 通過在分子內(nèi)稠環(huán)上拉電子基團(tuán)構(gòu)建 n 型有機(jī)半導(dǎo)體通過在多稠環(huán)梯形共軛分子骨架內(nèi)引入拉電子的官能團(tuán)可以將一般表現(xiàn)為 型的多稠環(huán)梯型共軛分子轉(zhuǎn)變?yōu)?n 型的共軛分子（Scheme 1-2）。其中最常見的是利用強(qiáng)拉電子能力的酰胺基團(tuán)作為橋環(huán)，例如常見的萘二酰胺（NDI）和傒二酰胺（PDI）等。同樣的 Marks 組通過將聯(lián)噻吩和酰胺基團(tuán)稠環(huán)設(shè)計(jì)合成了 n 型的BTI 單元[5]；Ding 及其合作者同樣通過引入酰胺基團(tuán)設(shè)計(jì)合成了具有 5 元稠環(huán)的TPTI 受體單元；同樣的 Pei[6]，Takimiya[7]和 Kim[8]報(bào)道了 TPTI 的異構(gòu)體 TP單元。但是由于 TPTI 和 TPT 都是內(nèi)酰胺的結(jié)構(gòu)，分子中含有的酰胺基團(tuán)的拉電性還是不足以使基于 TPTI 和 TPT 單元的共聚物表現(xiàn)為 n 型。因此，Osaka 等在

基于多稠環(huán)梯型共軛單元的 n 型有機(jī)半導(dǎo)體的合成及應(yīng)用 第一章 緒論管類似。典型的有機(jī)場效應(yīng)晶體管包括三種主要材料成分（如圖 1-3a）：（a）一種可作為源極 S、漏極 D、柵極 G 的導(dǎo)體材料；（b）絕緣的介電層材料；（c）提供可變導(dǎo)元素的有機(jī)半導(dǎo)體材料。晶體管結(jié)構(gòu)包括頂柵和底柵結(jié)構(gòu)兩種。頂柵結(jié)構(gòu)中，源極和漏極沉積在基底上，緊接著是有機(jī)半導(dǎo)體材料層，介電層，最后再沉積上柵極。在頂柵結(jié)構(gòu)（如圖 1-3b），有機(jī)半導(dǎo)體材料被基底和介電層封閉起來。底柵結(jié)構(gòu)中，柵極直接沉積在基底上（重?fù)诫s的硅作基底和柵極）。熱生長制備的 SiO2或其他絕緣層材料作為介電層緊接著沉積在柵極上。之后根據(jù)源極和漏極的沉積順序又可將底柵結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分成底柵底接觸（BGBC）和底柵頂接觸（BGTC）兩種。在底柵底接觸結(jié)構(gòu)中（圖 1-3c），源極和漏極在介電層上面，而后是半導(dǎo)體材料層；而在底柵頂接觸結(jié)構(gòu)中（圖 1-3d），介電層之后是半導(dǎo)體層，隨后沉積源極和漏極。

一章 緒論 基于多稠環(huán)梯型共軛單元的 n 型有機(jī)半導(dǎo)體的合成及軛骨架的多稠環(huán)梯型共軛單元（如圖 1-6），然后引入強(qiáng)拉電子基團(tuán)設(shè)計(jì)合有機(jī)半導(dǎo)體。具體內(nèi)容包括：第二章基于硒吩梯型稠環(huán)單元的非富勒烯受體在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用；第三章基于十元梯型稠環(huán)單元的非富勒烯受體在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用；第四章基于酰胺類梯型稠環(huán)單元的聚合物受體在有機(jī)場效應(yīng)晶體管中應(yīng)用。

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本文編號：2821112