化学与分子工程学院裴坚-王婕妤课题组在N型有机半导体研究中取得重要进展

场效应晶体管是半导体器件的重要元件之一，被广泛地用于计算机、通信和信息技术之中。有机场效应晶体管具有低成本、轻便、柔性等特点，并且可以采用溶液加工，在逻辑电路、显示器件和射频电子标签等领域具有巨大的潜在应用价值。同时，场效应晶体管也为研究有机光电材料的构效关系以及有机光电材料内部电荷传输机制提供了一个很好的器件平台，这些科学问题的研究对于其他光电器件，如有机电致发光二极管和太阳能电池也具有重要的意义。

近年来，大量缺电子的片段被应用于有机场效应晶体管的研究中，并实现了在空气下高的空穴迁移率和在氮气下高的电子迁移率。然而在空气下电子迁移率超过1 cm² V⁻¹ s⁻¹的有机材料却极少报道，严重阻碍了n-型材料的进一步应用。因此，开发新型的缺电子骨架以实现空气稳定的电子传输性能是有机场效应晶体管材料的研究难点。在本工作中，裴坚-王婕妤课题组在他们此前设计开发的BDOPV(北大OPV)分子共轭骨架上引入氟原子，进一步降低分子的LUMO能级，从而提高材料的空气稳定性并改善载流子注入。同时，氟原子的引入使得分子在单晶中表现出少见的反平行共面排列。得益于这种有效的共轭堆积模式，在单晶中F₄-BDOPV的电子转移积分达到了201 meV，为目前报道的最高的转移积分值。随后，课题组将F₄-BDOPV的微米线加工成场效应晶体管器件，在空气下其电子迁移率达到了12.6 cm²V⁻¹s⁻¹，且空气下非常稳定，这一结果是目前有机半导体材料电子迁移率的最高值，该项工作近期发表于Advanced Materials 2015,27, 8051-8055，同时被选为当期底封面文章(如上图所示)。

结构与性能的关系是材料科学的研究核心。有机半导体中的载流子传输与其分子排列密切相关，然而影响有机小分子晶体排列的因素很多且非常复杂，使得合理地调控其分子排列以及对结构与性能关系的研究变得尤为困难。在本工作中，研究人员在共轭骨架的不同位置引入不同数目的氟原子，成功获得并解析了五个晶体的单晶结构。这一系列化合物的单晶排列随分子偶极矩与静电势的改变而逐渐发生变化，并且其器件性能以及转移积分的计算结果也随其单晶排列不同而不同，五个晶体在空气中的电子迁移率均超过2 cm²V⁻¹s⁻¹，最高超过10 cm²V⁻¹s⁻¹(如上图所示)。该项工作近期发表于Journal of the American Chemical Society 2015,137, 15947-15956。

这一系列工作运用超分子化学的思想和方法，通过对分子间弱相互作用力的调控来设计合成有机光电功能材料、研究器件性能，并探索其结构和性能的关系。此外，研究组进一步利用研究得到的结构和性能的关系，设计合成新的材料体系，并最终实现了高性能材料体系的开发。该系列工作不仅具有实际应用价值，而且对理解载流子在有机材料中的迁移过程具有重要的理论意义。

博士研究生窦锦虎是Advanced Materials文章的第一作者。博士研究生窦锦虎、郑雨晴是Journal of the American Chemical Society文章的并列第一作者，中科院化学研究所易院平课题组参与了该系列研究的理论计算工作。相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委和上海光源的资助与支持。

文章链接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b11114

http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201503803/full

编辑：白杨