具有螢光的非經典噻吩醯亞胺類n-型半導體材料

北京大學深圳研究生院新材料學院孟鴻教授課題組設計合成了基於異苯並噻吩類的醯亞胺類n-型半導體材料，該化合物表現出了較為優異的n-型半導體性能，並顯示出了較強的螢光。

有機場效應電晶體（OFET）由於具有可溶液加工、柔性可摺疊、大面積製備等優點，在柔性顯示、可穿戴設備、電子皮膚和生物醫用等領域內有著廣闊的應用前景。與p-型有機場效應電晶體相比，n-型場效應電晶體在遷移率和空氣穩定性方面都有著較大的差距，並且目前具有高遷移率的有機發光材料也大都是p-型半導體，關於n-型的有機半導體發光材料報導還比較少。在n-型有機半導體中，由於載流子為電子，在傳輸過程中會與空氣中的水、氧氣反應，極大程度上制約了n-型有機半導體的遷移率和穩定性。p/n型有機半導體的不均衡發展嚴重地限制了有機場效應電晶體的實際應用。因此，發展新型高遷移率、高穩定性的n-型有機半導體材料，使之應用於相應的有機場效應電晶體是一個亟需解決的問題。

在現有的n-型有機半導體材料中，萘醯亞胺（NDI）類化合物是一類研究比較廣泛的材料（圖1），四個羰基可以有效地降低LUMO能級，提高材料的空氣穩定性，同時也可以降低有源層與金屬電極之間的電子注入能壘。目前，對於NDI的研究主要集中在三個方面：N原子上進行取代，可以改變分子堆積；萘上進行吸電子基團取代，可以有效調控能級；延長π共軛體系，既能增大分子間π-π相互作用，又能起到調控能級的作用。通過這些修飾，衍生了一系列空氣穩定的、高遷移率的n-半導體。

如圖1所示，在已報導的材料中，大都圍繞著NDI母核進行修飾。近日，孟鴻教授團隊直接對NDI母核進行了取代，利用一種非經典噻吩——異苯並噻吩(Isothianaphthene)來取代苯環，設計合成出了一種新型的n-型醯亞胺化合物BTDI-C6。與NDI-C6相比，BTDI-C6具有更低的LUMO能級(-4.21eV)，這也與計算結果相符合，預示著基於BTDI-C6的OFET器件擁有著更好的空氣穩定性。作者以BTDI-C6和NDI-C6為活性層製備了BGTC型的OFET器件，兩種器件在N2氛圍測試條件下顯示出了較為相似的遷移率，但是BTDI-C6器件具有更低的閾值電壓(7.5V)，而NDI-C6的閾值電壓為34V，這是由於BTDI-C6的LUMO能級與金電極功函數更加相近，電子注入勢壘更小導致的。將兩種器件置於空氣中進行測試時，NDI-C6的OFET器件在空氣中不工作，而基於BTDI-C6的器件在空氣中可以穩定工作，甚至在空氣中放置一周以後再進行測試，其遷移率仍能維持在相同的量級，顯示出了較為優異的空氣穩定性。更為重要的是，BTDI-C6材料在溶液中顯示出比較強的螢光，表明其在發光器件中也有一定的應用（圖2）。這些結果顯示出BTDI系列衍生物在有機光電領域內有著廣泛的應用前景。

圖 2 (a) BTDI-C6和NDI-C6化合物結構。(b) BTDI-C6和NDI-C6在DCM中的螢光。(c) BTDI-C6 和NDI-C6在空氣中測試的Id-Vg曲線。

該成果以「Isothianaphthene bisimide: an air-stable n-type semiconductor」為題，最新在線發表於Science China Chemistry。該論文第一作者為北京大學博士生陳小龍，通訊作者為北京大學深圳研究生院新材料學院孟鴻教授。