含酰亞胺稠環(huán)芳烴類有機電子傳輸材料的設(shè)計、合成和性質(zhì)研究.pdf

1、有機電子傳輸材料是構(gòu)建有機半導體器件的基礎(chǔ)。隨著對有機太陽能電池(OPVs)、有機場效應(yīng)晶體管(OFETs)、互補邏輯電路(complementary logic circuits)等有機半導體器件的深入研究,開發(fā)具有高遷移率、高穩(wěn)定性和易溶液加工的有機電子傳輸材料對該領(lǐng)域發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。含酰亞胺的稠環(huán)芳烴類(rylene diimides)電子傳輸材料,如苝酰亞胺(PBIs)和萘酰亞胺(NDIs),因其具有高電子親和勢、高遷移

2、率和良好的穩(wěn)定性,作為有機電子傳輸材料顯示出了良好的應(yīng)用前景。本文以有機半導體的理論為指導設(shè)計合成了一系列含酰亞胺稠環(huán)芳烴類有機電子傳輸材料,并對它們的光譜性能、電化學性能、熱穩(wěn)定性和電子傳輸性能進行了研究。
　　通過光環(huán)化反應(yīng)將鄰苯二胺引入到苝酰亞胺1,6,7,12位（港灣位）設(shè)計并合成了含有二氨基和四氨基的苝酰亞胺多官能團單體8和9。在關(guān)鍵的光環(huán)化反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了獨特的區(qū)域選擇性,即光照閉環(huán)反應(yīng)選擇性地發(fā)生在硝基的鄰位;通過多官能

3、團單體8和9構(gòu)建了3個具有大平面的梯形共軛大分子12、13和15,并且分別研究了3個梯形共軛分子的光譜性質(zhì)、電化學性質(zhì)和熱穩(wěn)定性;使用空間電荷限制電流(space charge limitedcurrent,SCLC)的方法測試了化合物12、13和15的電子遷移率。梯形共軛分子共軛平面的增大有利于提高其在薄膜上排列的有序性,進而可以提高分子間的電荷傳輸。其中化合物15表現(xiàn)出較高的SCLC遷移率,可以達到3.34×10-3 cm2 V-1

4、 s-1;以P3HT為供體材料分別與化合物12、13和15構(gòu)建有機薄膜太陽能電池,其太陽能電池效率均高于參比化合物PBI。
　　設(shè)計并合成了一類新型的電子傳輸材料:三苯二噁嗪酰亞胺梯形共軛分子33、34、35、36和37。相對于參比化合物PBI ref.,化合物33、34、35、36和37具有更大的吸光范圍、更長的吸收波長和更大的摩爾消光系數(shù);這一類化合物具有光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,通過調(diào)節(jié)N端側(cè)鏈結(jié)構(gòu)還可以將液晶性引入其中;SCLC

5、電子遷移率測試表明:對于具有相同側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的參比化合物PBI ref.,三苯二噁嗪酰亞胺梯形共軛分子因其分子間作用力更強,形成的薄膜更加有序,表現(xiàn)出更高的遷移率。其中化合物37的遷移率最高,達到3.90×10-3 cm2 V-1 s-1。這些數(shù)據(jù)表明化合物33、34、35、36和37顯示出良好的作為有機電子傳輸材料的應(yīng)用前景。。
　　使用催化劑[Ir(COD)(μ-OMe)]2催化活化苝酰亞胺鄰位C-H,再經(jīng)過取代反應(yīng)和偶聯(lián)反應(yīng)合成

6、了苝酰亞胺的2,5,8,11位（鄰位）含有取代基的化合物40、41、42、43和44。通過在苝酰亞胺的鄰位引入鹵原子,化合物40和41的光譜發(fā)生藍移,LUMO能級明顯降低,電子親和勢增大,分子間作用力變強,在薄膜上的排列更加緊密,薄膜變得更加有序,進而提高SCLC電子遷移率。通過在苝酰亞胺鄰位偶聯(lián)具有供電子性質(zhì)的芳香基團,化合物42、43和44在氯仿中光譜發(fā)生紅移,能隙變窄,LUMO能級升高,擴大了化合物吸光范圍,提高了吸光能力,有利于

7、其在有機薄膜太陽能電池(OPV)方面的應(yīng)用
　　以3,4,9,10-苝四羧酸二酐(PTCDA)和L-丙氨酸為原料以水為溶劑,通過酯化的方法高效合成7個不同側(cè)鏈長度苝酰亞胺L-丙氨酸酯衍生物46、47、48、49、50、51和52。運用差示掃描量熱法(DSC)、偏光顯微鏡(POM)及和熱重分析(TGA)對這7個化合物進行研究?；衔?6、47、48、49、50、51和52表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性,其失重5％時的溫度大于350℃。其中化合