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.     

芳基桥联的二薁二酰亚胺的设计合成及场效应晶体管性能研究

在本工作中,发展了一种新的合成策略,利用薁各位点的反应活性差异选择性地在薁的1-位进行官能团化,合成了由苯环（B）或噻吩并[3,2-b]噻吩基团（TT）桥联的二薁二酰亚胺化合物AzAzBDI-1、AzAzBDI-2和AzAzTTDI.AzAzBDI-2的单晶结构显示其具有扭曲的共轭骨架,相邻的两个分子通过分子间薁的七元环和五元环的π-π相互作用形成二聚体,二聚体与二聚体之间通过强的π-π相互作用形成滑移的一维堆积.用紫外-可见光吸收光谱和循环伏安法对三个化合物的光谱和电化学性质进行表征,计算出各分子的轨道能级和带隙.基于三个化合物的有机场效应晶体管器件（OFET）均表现出n-型主导的双极性有机半导体特性.其中AzAzTTDI表现出最优的OFET性能,其电子和空穴迁移率分别为0.087 cm²·V^－1·s^－1和8.8×10^－3 cm²·V^－1·s^－1.     

硅纳米线和聚3-十二烷基噻吩混合薄膜在场效应晶体管中的应用研究

为了提高聚3-十二烷基噻吩的场效应迁移率, 将硅纳米线混入聚3-十二烷基噻吩的溶液中制成薄膜. 退火后的聚3-十二烷基噻吩能够自组装成有序的微晶结构, 有利于电子传输. 聚3-十二烷基噻吩薄膜在场效应晶体管中能够获得0.015 cm²·V^-1·s^-1的迁移率, 而混合薄膜能够获得高达0.68 cm²·V^-1·s^-1的迁移率. 这是因为硅纳米线优异的电子传输性能使得电子通过硅纳米线就像通过快速通道一样, 从而能够缩短电子在场效应晶体管中的传输时间, 提高传输速度. 此外, 使用离子胶作为介电层也能够提升场效应晶体管的性能, 混合薄膜能够获得高达6.2 cm²·V^-1·s^-1的迁移率.     

基于荧蒽酰亚胺的立构规整共轭高分子的合成与场效应晶体管性能

荧蒽是一种典型的具有高度平面结构的稠环芳烃，中心独特的五元环赋予了它缺电子特性，因此非常适合用于构筑稠环酰亚胺类受体砌块。然而，由于功能化位置受限，荧蒽酰亚胺砌块还未能成功用于共轭高分子的构建。本工作基于一种具有不对称结构的2,3-酰亚胺荧蒽砌块，成功构建了两个新型给受体(D-A)型共轭高分子，即无规结构的PF1以及立构规整结构的PF2,并详细表征了它们的光物理性质以及场效应晶体管器件性能。研究发现，PF2由于立构规整结构形成了相对有序的分子聚集以及更加优异的薄膜形貌，所制备的场效应晶体管器件表现出1.72×10^-5 cm²·V^-1·s^-1的空穴迁移率，而基于无规PF1制备的场效应晶体管则未能测出器件性能。本工作不仅表明2,3-酰亚胺荧蒽作为受体砌块在构建新型D-A型高分子半导体上具有一定的发展潜力，且进一步证实了分子规整性对分子堆积行为和光电性能的关键影响。     

冠醚功能化的栅控石墨烯场效应晶体管的制备及对汞离子的检测

Hg²⁺是一种具有生物蓄积性和毒性的重金属, 对环境和人类健康均可造成严重损害. 因此, 开发便捷的Hg²⁺传感器非常必要. 本文基于溶液栅控石墨烯场效应晶体管的优异性能, 通过氮硫杂冠醚的尺寸效应以及冠醚与Hg²⁺的螯合作用来特异性识别Hg²⁺, 制备了一种冠醚功能化栅极的溶液栅控石墨烯场效应晶体管(SGGT)传感器. 该SGGT传感器因其固有的信号放大功能而比传统电化学检测Hg²⁺更灵敏, 其检出限为1×10^-12 mol/L, 比传统电化学传感器降低了2~3个数量级, 在1×10^-12~1×10^-7 mol/L检测范围内, 狄拉克点的变化值与目标物浓度的对数值之间存在良好的线性关系, 同时具有极高的选择性. 对实际湖水样品的检测效果良好, 对Hg²⁺的检测标准偏差为1.10%~3.77%. 本文结果表明, 该晶体管传感器可以对Hg²⁺进行高选择和高灵敏检测.     

碲化锗场效应晶体管的制备及电学性能

采用微机械剥离法得到横向尺寸为10 μm的碲化锗(GeTe)纳米片. 通过电子束曝光和真空溅射镀膜的方法, 以钛金合金为接触电极, 制备基于二维碲化锗(2D-GeTe)纳米材料的场效应晶体管(FET), 并测定了其电学性能. 结果表明, 剥离所得GeTe纳米材料具有良好的结晶性, 光学带隙为1.98 eV, 属于p型半导体; 该场效应晶体管展现出了6.4 cm²·V^?1·s^?1的载流子迁移率和670的开关电流比的良好电学性能.     

含噁二唑大环冠醚的合成、 结构及金属离子识别性能

合成了含有1,3,4-噁二唑基团的大环冠醚: 2,3,11,12-二苯并-4,7,10,16-四氧-14,15-二氮杂双环[11.2.1]-十六烷-13,15-二烯(2)、 2,3,14,15-二苯并-4,7,10,13,19-五氧-17,18-二氮杂双环[14.2.1]-十九烷-16,18-二烯(3)和2,3,17,18-二苯并-4,7,10,13,16,22-六氧-20,21-二氮杂双环[17.2.1]-二十二烷-19,21-二烯(4), 并培养得到其单晶; 通过核磁共振波谱、 高分辨质谱及X射线单晶衍射对其结构进行了表征. 结果表明, 冠醚2属正交晶系, Pna2₁空间群; 冠醚3属于单斜晶系, C2/c空间群; 冠醚4属正交晶系, Pbca空间群. 在3个主体化合物中均存在分子间氢键和π-π相互作用将分子连接成三维空间结构. 采用荧光光谱测定了开链冠醚2,5-二[2-(2-甲氧乙氧基)苯基]-1,3,4-噁二唑(1)和不同环空腔大小的噁二唑冠醚(2~4)对金属离子Li ⁺, Na ⁺, K ⁺, Rb ⁺, Mg ²⁺和Ca ²⁺的键合行为. 研究结果表明, 开链冠醚1和冠醚4对碱土金属Mg ²⁺和Ca ²⁺表现出荧光猝灭行为, 且对Ca ²⁺表现出良好的键合能力和选择性; 而冠醚2对Na ⁺和K ⁺表现出良好的键合能力, 但其Na ⁺/K ⁺的选择性较差.     

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.     

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.     

基于多层二硒化钨的高性能场效应晶体管的实验优化和理论模拟

采用微机械剥离法制备了基于不同厚度的高质量WSe₂纳米片的场效应晶体管(WSe₂-FETs), 研究了其性能的影响因素. 通过调控WSe₂纳米片及介电层的厚度、 测试温度及退火处理等, 结合理论模拟分析, 获得了WSe₂-FETs的最佳电学性能. 最终, 基于7层WSe₂纳米片的场效应晶体管表现出最优异的电学性能, 室温下载流子迁移率可达93.17 cm²·V^?1·s^?1; 在78 K低温下, 载流子迁移率高达482.78 cm²·V^?1·s^?1.     

有机电路及其基本元器件

半导体电路及其元器件是实现现代信息传递的重要组成部分,随着无机电路特别是硅基电路的研究发展进入瓶颈,有机电路及其基本元器件的研究对于电路及系统的未来发展意义更加重大。近十年来,有机电路及其基本元器件取得了飞速的发展,多种基本元件器性能已经达到可应用程度,特别是在显示领域,基于有机半导体制备的OLED显示电路已经成为新一代显示器的选择。同时,有机电路也因其所具有的低成本、可弯折、高透光等特性而具有了更多的发展空间。本综述从构成有机电路的各基本部件出发,以各部分器件在电路系统中的应用为线索,从系统信息采集、信息处理、信息存储和信息输出4个方面简述了各部分基础元件的发展情况,并以基于有机场效应晶体管的器件为基础,对器件的结构、电性能的优化以及所面临的问题进行了讨论。     

The Synthesis and Optoelectronic Applications for Tellurophene-Based Small Molecules and Polymers

Tellurophene-based small molecules and polymers have received great attentions owing to their applications in thin-film transistors, solar cells, and sensors. This article reviews the current progress of the synthesis and applications of tellurophene-based small molecules and polymers. The physicochemical properties and optoelectronic applications of tellurophene-based materials are summarized and discussed. In the end, the challenges and outlook of tellurophene-based materials are presented.     

First Preparations and Characterization of Conductive Polymer Crystalline Nanoneedles

Single crystalline nanoneedles of three families of the most studied conductive organic polymers - polythiophene, polyaniline and polypyrrole - were synthesized for the first time using an interfacial polymerization process that takes place with simultaneous crystallization. As the crystal growth is concurrent with polymerization, more ordered crystal packing can be expected. Most of the bulk conducting-polymer systems studied contains regions that are inhomogeneous. Single nanocrystals of conducting polymers have not been reported, although needle-shaped bulk crystals of the quarterphenyl cation radical salt have previously been studied. The investigation of processes in a nanodomain of a single crystal is critical in ascertaining the inherent electronic properties of polymer nanoelements. The organic conductive nanoneedles were characterized using TEM, HRTEM, electron diffraction, EDS, and EPR to establish their crystal structure and composition. Scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS) investigation were conducted to examine their electronic behaviors, leading to the discovery of a field-induced conductance switching with response times on the millisecond level. The switch voltages are in the range of 3 to 4 volts in STM experiments, consistent with the trend of the band gap of the three polymers. The organic conductive nanoneedles with nano-tip having high density of mobile electron may serve as interesting elements for nanoscale electronics.     

A Unique Blend of 2-Fluorenyl-2-anthracene and 2-Anthryl-2-anthracence Showing White Emission and High Charge Mobility

White-light-emitting materials with high mobility are necessary for organic white-light-emitting transistors, which can be used for self-driven OLED displays or OLED lighting. In this study, we combined two materials with similar structures—2-fluorenyl-2-anthracene (FlAnt) with blue emission and 2-anthryl-2-anthracence (2A) with greenish-yellow emission—to fabricate OLED devices, which showed unusual solid-state white-light emission with the CIE coordinates (0.33, 0.34) at 10 V. The similar crystal structures ensured that the OTFTs based on mixed FlAnt and 2A showed high mobility of 1.56 cm² V⁻¹ s⁻¹. This simple method provides new insight into the design of high-performance white-emitting transistor materials and structures.     

有机或金属-有机二维纳米材料的制备与应用

对石墨烯等二维材料的研究进一步引发了人们对相似结构的其他有机、金属-有机二维层状纳米材料的浓厚兴趣. 这些二维材料由于其优异的化学可剪裁性而受到关注, 预期未来在电子器件、催化和小分子分离等方面具有广泛的用途. 这篇综述系统地介绍了目前制备有机基二维材料的自上而下和自下而上的两大类方法, 总结了有机基二维材料在生物识别、小分子分离和纯化以及电学方面的应用, 最后讨论了有机基二维材料目前在制备和性质改进方面面临的问题和未来可能发展的研究方向.     

基于间苯三酚及其衍生物构筑新型有机多孔材料

有机多孔材料凭借其高比表面积、孔道可调性、易功能化修饰和结构多样性等特征,在催化、能源、吸附与分离等多个领域中展现了巨大应用潜力.对多官能度有机化合物单体以及高效聚合反应的巧妙应用,为新型有机多孔材料的创制提供了强有力的工具,成为该领域的研究热点.以C₃对称型的间苯三酚及其衍生物为例,综述了其在一系列新型有机多孔材料高效构筑中的最新研究进展.     

Ambipolar Blends of Cu-Phthalocyanine and Fullerene: Charge Carrier Mobility,Electronic Structure and their Implications for Solar Cell Applications

Summary: Ambipolar transport has been realised in blends of the molecular hole conductor Cu-phthalocyanine (CuPc) and the electron conducting fullerene C₆₀. Charge carrier mobilities and the occupied electronic levels have been analyzed as a function of the mixing ratio using field-effect transistor measurements and photoelectron spectroscopy. These results are discussed in the context of photovoltaic cells based on these materials.     

Design and Synthesis of Conjugated Starburst Molecules for Optoelectronic Applications

In recent years, conjugated starburst molecules, which possess a core unit with radial arms linked to the central axle, have become the research topic owing to their well‐defined chemical structures, good solution processability, excellent reproducibility, and superior optoelectronic properties. The increasing interest in starburst systems is evidenced by progressively more frequent investigation on the use of these materials in optoelectronics. The ability to modify chemical structures through control over the core and arms on a molecular level can directly affect the electronic and electroluminescent characteristics of the resulting materials. In this review, we summarize and discuss main progress in our group concerning the rapidly developing field, in which strategies for the design and construction of starbursts are presented at length. Moreover, their application in organic light‐emitting diodes (OLEDs) and organic semiconductor lasers (OSLs) are demonstrated as well, exploring the influence of molecular structures on the optoelectronic properties. Challenges and outlooks are also given at last.     

有机微纳米材料的设计策略、加工及应用

有机微纳米材料是一类新型的材料体系,具备了传统体相有机材料诸多特点,同时由于尺寸效应表现出独特的物理化学特性,因而在最近几年引起了广泛的关注。相比传统的无机微纳米材料体系,有机微纳米材料构筑单元选择广泛、可调控性强、加工成本低以及易于大规模加工,目前已被应用在有机场效应晶体管、有机光伏太阳能电池等方面。本文总结了有机微纳米材料的加工方法,利用超分子化学的概念探讨了有机微纳米材料的分子设计思路,以及有机微纳米材料的生长机理,并介绍了其相关应用。     

Synthesis of tetracyanoethylene‐substituted ferrocene and its device properties

Small organic molecules are promising candidates for cheaper, flexible and good‐performance sources for organic solar cells (OSCs) due to their easy fabrication, low cost and slightly cheaper processing. However, the lower power conversion efficiency of OSCs is the main problem for their applications. Ferrocene structures could be the best candidates for the active layers of OSCs due to their unique properties such as thermal and chemical stability. The electrochemical, electro‐optical and solar cell performances of 2,5‐dicyano‐3‐ferrocenyl‐4‐ferrocenylethynylhexa‐2,4‐dienedinitrile (DiCN‐Fc) structures were investigated. First, the electrochemical and electro‐optical properties were examined for finding the highest occupied and lowest unoccupied molecular orbital values and bandgap of DiCN‐Fc. The best photovoltaic performance was obtained with 7 wt% of DiCN‐Fc loading, with a power conversion efficiency of about 4.27%. In the light of our investigations, ferrocenyl‐substituted small organic molecules could contribute to the development of organic photovoltaic devices.