本文關鍵詞：新型氮雜并五苯分子的設計、合成及場效應性質研究

  更多相關文章： 有機半導體 雙極性 有機場效應晶體管 非線性光學 光限幅

【摘要】：在本論文中,我們設計合成了一系列雜原子修飾的并苯類衍生物,并對其場效應傳輸性質和非線性光學性質進行了表征。通過實驗和理論研究了氮雜并五苯衍生物的分子結構與光、電性能的關系。通過對分子結構微觀化學修飾來實現(xiàn)對宏觀的電荷傳輸性能和非線性光學性質進行調控。這些發(fā)現(xiàn)將為有機材料在場效應電學和非線性光學領域廣泛應用提供了實驗和理論上指導。本論文主要包括以下七個部分內容：第一章中,我們綜述了有機材料及其它們的場效應傳輸�；仡櫫擞袡C半導體材料的發(fā)展和分類,以及有機場效應晶體管的結構和工作原理。本論文的目的：設計合成具有優(yōu)異的場效應電學的有機材料,并且通過化學修飾對其電荷傳輸性能進行調控。第二章中,我們敘述了毗嗪類氮雜并五苯分子的設計合成和作為有機半導體材料在OFET應用。我們成功設計合成了吡嗪類氮雜并五苯分子(4F2NTIPSP, 4C12NTIPSP,4F2NTESP,4C12NTESP),對其光學、電化學、穩(wěn)定性、分子軌道能級、單晶結構進行了表征。通過OFET薄膜場效應性能測試對其在不同基底溫度、不同金屬電極、不同溝道長寬比的器件制備條件進行了優(yōu)化。通過薄膜的XRD衍射峰和AFM照片對其晶體堆積和薄膜形貌進行了研究。結果顯示：化合物4F2NTIPSP,4C12NTIPSP當基底溫度為60℃、電極為Au電極、溝道長寬比(IML=20)時表現(xiàn)出優(yōu)異的雙極性傳輸性能(電子遷移率高于空穴遷移率)和有利于電荷傳輸?shù)木w堆積類型和薄膜形貌。當場效應性能最優(yōu)時,TIPS取代的4F2NTP和4C12NTP分子具有與之前合成的氮雜并五苯分子相同的器件制備條件�；衔�4F2NTP和4C12NTP都具有電子遷移率高于空穴遷移率的雙極性傳輸材料(4F2NTPμh=0.14 cm2/V·s和μe=0.57 cm2/V·s; 4C12NTPμh=0.07cm2/V·s和μe=0.83 cm2/V·s),為深入的基礎理論研究雙極性半導體傳輸性能提供了重要的分子模型。第三章中,我們采用一系列氮雜并五苯衍生物作為模型分子來探究影響雙極性傳輸性能的主要因素。我們采用一系列氮雜并五苯衍生物作為模型分子(TP、 1NTP、2NTP、4F1NTP、4C11NTP、4F2NTP.4C12NTP),通過實驗和理論研究了電荷傳輸過程和電荷注入過程。通過引入強的吸電子基團(N、F、C1)調節(jié)前線分子軌道能級水平(HOMOs和LUMOs)而調控材料電荷傳輸性能(電荷遷移率和閾值電壓)。實驗結果顯示：化合物從1P到4C12NTP,隨著HOMO和LUMO降低,材料表現(xiàn)了從“以空穴為主的雙極性材料”到“平衡的雙極性材料”再到“以電子為主的雙極性材料”的電荷傳輸性能；同時,隨著HOMO和LUMO降低,電子閾值電壓降低,空穴閾值電壓升高�；诮浀涞腗arcus理論結合第一原理分子動力學模擬了電荷傳輸過程。通過比較實驗和理論研究說明了(1)電荷注入勢壘能夠影響雙極性OFET器件的電子和空穴遷移率比值；(2)電子和空穴遷移率匹配的、高性能的雙極性材料需要具備小的HOMO-LUMO帶隙、合適的HOMO和LUMO位置、和既有利于空穴又有利于電子傳輸?shù)姆肿佣逊e類型； (3)傳統(tǒng)的單極性半導體材料理論模擬方法,只考慮了電荷在半導體內部傳輸過程,忽略了電荷從金屬到半導體的注入過程,不適應于雙極性半導體材料理論模擬,因此需要完善適應于雙極性半導體材料的理論計算知識。第四章中,我們首次探究了一系列氮雜并五苯衍生物的非線性光學性質。我們采用Z-掃描技術對氮雜并五苯分子(TP、1NTP、2NTP、4F1NTP、4C11NTP、 4F2NTP、4C12NTP)在不同分子環(huán)境(溶液和薄膜兩種狀態(tài))進行了非線性光學性質研究。通過皮秒的時間分辨泵浦探測和納秒閃光光解技術對非線性光學機制進行了初步探索和討論。結果顯示：(1)所有氮雜并五苯分子不管是在溶液還是薄膜狀態(tài)中,都表現(xiàn)出了優(yōu)異的光限幅效應,具有很好的線性擬合并且非線性吸收系數(shù)優(yōu)于C60；(2)通過分子化學修飾實現(xiàn)了對材料非線性光學性質的調控；(3)所有氮雜并五苯分子光限幅機理是基于分子具有大的激發(fā)態(tài)吸收,從而具有優(yōu)異的光限幅效應。通過從有機半導體材料中尋找具有優(yōu)異光限幅材料以期待發(fā)展基于有機半導體材料的有機非線性光學材料的新領域。第五章中,我們通過在并苯骨架中引入雜原子來調節(jié)其場效應傳輸性質。我們通過在并苯骨架中引入雜原子(N、S、O)來調節(jié)前線分子軌道能級水平(HOMOs和LUMOs)位置,提高分子穩(wěn)定性；通過在并苯分子中引入長烷基鏈或者三異丙基硅基乙炔基,提高分子的溶解性。進而合成穩(wěn)定、可溶的并苯衍生物半導體材料(S雜原子修飾的蒽并噻吩分子(ADT)、O、S雜原子修飾的并噻吩五元雜環(huán)酮分子(DQ和TIPS-DQ)、和N、S雜原子修飾的氮雜并五苯分子(2NThP和1NThP))。這些分子為探索具有優(yōu)異的場效應電學性能和非線性光學性質的新材料提供了物質基礎。第六章中,我們嘗試合成基于并五苯骨架的n-型有機半導體材料。我們向具有一個苯環(huán)結構的小分子骨架中引入2-(1,3-二巰基-2-亞基)丙二腈,設計合成了具有n-型場效應性能的有機小分子半導體材料(μe=6.6×10-3 cm2/V·s, Vth=14V,Ion/Ioff=4×102)。通過Gaussian 09軟件程序理論計算分子中原子的電荷分布情況。預測可以向并五苯骨架中引入2-(1,3-二巰基-2-亞基)丙二腈基團,以此方法來擴大苯環(huán)數(shù)目,進而增加其共軛芳香結構。第七章中,我們展望了新型有機半導體材料在場效應器件和非線性光學器件中的應用。
【關鍵詞】：有機半導體 雙極性 有機場效應晶體管 非線性光學 光限幅
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O626
【目錄】：

• 中文摘要5-8
• Abstract8-15
• 第一章 緒論15-38
• 1.1 引言15
• 1.2 有機半導體(Organic Semiconductor)15-25
• 1.2.1 有機半導體簡介15-16
• 1.2.2 有機半導體材料的發(fā)展16-18
• 1.2.3 有機半導體材料的分類18-25
• 1.3 有機場效應晶體管(Organic Field-effect Transistors,OFETs)25-32
• 1.3.1 OFET簡介25-26
• 1.3.2 OFETs器件結構及制備方法26-27
• 1.3.3 影響OFETs器件性能因素27-32
• 1.4 本論文的選題思路和意義32-33
• 參考文獻33-38
• 第二章 新型吡嗪類氮雜并五苯衍生物的設計合成與表征38-55
• 2.1 引言38-39
• 2.2 化合物4F2NTP和4Cl2NTP的分子設計39-40
• 2.3 化合物4F2NTP和4Cl2NTP的分子合成40-44
• 2.3.1 試劑與儀器41
• 2.3.2 中間體及目標分子的合成41-44
• 2.4 化合物4F2NTP和4Cl2NTP的表征44-52
• 2.4.1 光學性能44-45
• 2.4.2 OFET的制備和測試45-47
• 2.4.3 結果與討論47-50
• 2.4.4 薄膜XRD衍射圖50-51
• 2.4.5 薄膜AFM圖片51-52
• 2.5 本章小結52-53
• 參考文獻53-55
• 第三章 氮雜并五苯衍生物的場效應傳輸性質研究55-80
• 3.1 引言55-56
• 3.2 氮雜并五苯衍生物的實驗研究56-68
• 3.2.1 光學性能56-57
• 3.2.2 電學性能57-59
• 3.2.3 穩(wěn)定性59-60
• 3.2.4 單晶結構分析60-61
• 3.2.5 XRD數(shù)據(jù)分析-薄膜構型與堆積方式61-63
• 3.2.6 AFM圖片分析-薄膜形貌63-64
• 3.2.7 薄膜的場效應性能研究64-68
• 3.3 氮雜并五苯衍生物的理論研究68-75
• 3.3.1 電荷耦合強度計算69
• 3.3.2 分子重組能計算69-71
• 3.3.3 遷移率計算71-72
• 3.3.4 單晶遷移率計算72-73
• 3.3.5 無定型薄膜遷移率計算73-75
• 3.4 本章小結75-76
• 參考文獻76-80
• 第四章 氮雜并五苯衍生物的非線性光學性質研究80-97
• 4.1 引言80-81
• 4.2 氮雜并五苯衍生物光限幅現(xiàn)象81-89
• 4.2.1 實驗材料和測試方法81-82
• 4.2.2 溶液狀態(tài)光限幅現(xiàn)象82-85
• 4.2.3 薄膜狀態(tài)Z-scan測試結果85-86
• 4.2.4 非線性吸收系數(shù)86-89
• 4.3 光限幅現(xiàn)象機制探索89-93
• 4.3.1 實驗材料和測試方法89
• 4.3.2 激發(fā)態(tài)吸收(ESA)89-93
• 4.4 本章小結93-94
• 參考文獻94-97
• 第五章 含硫、氧、氮的并苯類衍生物設計與合成97-111
• 5.1 引言97-98
• 5.2 以S雜原子修飾的蒽并噻吩分子(ADT)的設計與合成98-101
• 5.2.1 ADT衍生物分子的設計98-99
• 5.2.2 中間體及目標產物的合成99-101
• 5.3 以O、S雜原子修飾的并噻吩五元雜環(huán)酮分子(DQ)的設計與合成101-105
• 5.3.1 DQ衍生物分子的設計101-102
• 5.3.2 中間體及目標產物的合成102-104
• 5.3.3 TIPS-DQ分子自由基104-105
• 5.4 以N、S雜原子修飾的氮雜并五苯分子(D-A-D結構)設計和合成105-108
• 5.4.1 D-A-D衍生物分子設計105-106
• 5.4.2 中間體及目標產物的合成106-108
• 5.5 本章小結108-109
• 參考文獻109-111
• 第六章 n-型小分子半導體材料的設計與合成探索111-121
• 6.1 引言111
• 6.2 分子設計111-112
• 6.3 試反應112-116
• 6.3.1 小分子設計與合成112-113
• 6.3.2 n-型有機小分子表征113-116
• 6.4 擴環(huán)反應116-119
• 6.4.1 分子設計和合成116-117
• 6.4.2 反應分析117
• 6.4.3 理論計算電荷分布117-119
• 6.5 有待深入研究問題和展望119
• 6.6 本章小結119-120
• 參考文獻120-121
• 第七章 總結與展望121-126
• 7.1 總結121-125
• 7.1.1 氮雜并五苯衍生物場效應電學性質研究121-123
• 7.1.2 氮雜并五苯衍生物非線性光學性質研究123-124
• 7.1.3 雜原子修飾并苯衍生物光電學性質研究124-125
• 7.2 展望125-126
• 7.2.1 氮雜并五苯衍生物非線性光學性質研究125
• 7.2.2 雜原子修飾并苯衍生物場效應傳輸性質研究125
• 7.2.3 雜原子修飾并苯衍生物非線性光學性質研究125-126
• 附錄126-147
• 在學期間的研究成果147-148
• 作者簡歷148-149
• 致謝149-150

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李菊仁;略談場效應[J];益陽師專學報;1986年06期

2 李菊仁;;場效應[J];化學通報;1987年12期

3 管鄂,李植鑫,黃勇,李朝志;復合場效應淬火試驗研究[J];武漢水利電力學院學報;1989年01期

4 付庭治,黃德培,朱春生,歐惠春,陸筱旖,胡進,周家蓉,金杰,王金華,張國英;一種新型的涂絲鈣離子場效應敏感器件[J];高等學�；瘜W學報;1986年10期

5 何景旺;場效應燈在暗室生產中的應用[J];感光材料;1995年04期

6 朱春生;黃德培;王德g，

本文編號：855376