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基于吡啶N-型有机半导体材料的合成及有机场效应

晶体管性能研究

摘要

晶体管是现代电子技术的基础，自1947年贝尔实验室发明第一个晶体管以

来，它已发展成为一种半导体电子器件，被广泛应用于通信、计算机、医疗、汽

车等领域。在晶体管不断革新和发展的历程中，基于聚合物半导体的有机场效应

晶体管（Organicfield-effecttransistors,OFETs）受到人们的广泛关注，作为有机

电子器件和光电子器件构建的集成电路的基本元件，它具有质轻、柔性、低成本

加工、大面积制备等特点，通常可用于柔性显示、传感器、射频标签等诸多场景。

在过去十几年中，人们为开发高迁移率的有机聚合物半导体付出了巨大努力，迄

今为止，OFETs中p-型（空穴传输）聚合物半导体的发展十分迅速，一些代表性

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的材料空穴迁移率已经超过10cmVs，其性能已优于商用的非晶硅晶体管。

然而，受到合成难度和器件稳定性的制约，n-型（电子传输）聚合物材料的发展

远远落后于p-型材料。目前，具备高电子迁移率的聚合物通常是给体-受体

（Donor-Acceptor,D-A）型聚合物，但难以实现单极性电子传输。因此，开发优

良的缺电子构建单元是有机电子领域中的一个重要挑战。在本论文中，我们基于

异构菲罗啉单元和联吡啶单元合成了若干缺电子构建单元，并将其与其它合适的

缺电子单元进行聚合并得到了相应的受体-受体（Acceptor-Acceptor,A-A）型聚

合物材料，探究了它们的物理化学性质以及在OFETs中的电荷传输性能。

在第二章中，我们基于氮原子位点异构的菲罗啉单元，合成了两种新型缺电

子构建单元4,7-DPQI和1,10-DPQI。我们尝试了各种溴化条件，最终，我们只获

得了二溴化的1,10-DPQI单体。我们将1,10-DPQI-2Br和之前合成的二溴化苯并

喹喔啉酰亚胺（DBQI-2Br）分别与双噻吩酰亚胺的锡试剂（BTI-Tin）进行聚合

并对比，探究菲罗啉中sp2氮原子对聚合物性质的影响。基于1,10-DPQI单元的

聚合物P(BTI-1,10-DPQI)表现出更强的聚集行为和更深的前线分子轨道（Frontier

molecularorbital,FMO）能级，该聚合物在OFETs器件中实现了迁移率为1.4×10-

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cmVs的单极性电子传输行为，这也证明了sp氮原子的引入是设计新型n-

型聚合物半导体的有效策略。

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在第三章中，由于sp-N氧化基团在开发新型电子传输材料的过程中很少被

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关注并加以利用，于是我们选取2,2ʹ-联吡啶（BP）为基础单元，对吡啶的sp氮

原子进行氧化，得到了两种新颖的缺电子构建单元，单氮氧化的SOP和双氮氧

化的DOP。我们将二溴化的BP-2Br、SOP-2Br和DOP-2Br分别与DPP锡试剂

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进行聚合，并对得到的三种聚合物进行一系列物理化学表征，随着sp-N氧化基

团的引入，聚合物的前线分子轨道能级不断下降并表现出显著的聚集行为。此外，

联吡啶作为一种常用的配体，在聚合过程中对催化剂存在一定负面影响，而该基

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团的引入恰好弥补了这一缺陷。最终，sp-N氧化基团的增加使聚合物从单极性

空穴传输（BP-DPP）转变为以电子传输为主导的双极性电荷传输（DOP-DPP），

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这也表明sp-N氧化基团是一种很有前途的强拉电子基团，为后续设计n-型有机

半导体提供新的设计思路。

关键词：受体-受体型聚合物；电子传输