国科大化学科学学院李保林副教授、王洋副教授与中国科学院化学研究所董焕丽研究员团队在高性能非对称噻吩半导体材料方面取得进展

  • 化学科学学院
  • 日期:2024-04-12
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  稠环噻吩与经典的并五苯类化合物具有相似的电子结构,由于其良好的空气稳定性和独特的分子间硫-硫相互作用,已成为有机半导体材料中的重要类型之一。其中,非对称有机半导体具有溶解性好、分子间相互作用丰富等优点,具有广泛的光电应用前景。但是,由于其复杂的结构,它们的合成通常更繁琐,更具挑战性。最近,中国科学院大学化学科学学院李保林副教授、王洋副教授与中国科学院化学研究所董焕丽研究员团队,发展了一种简单而高效的无金属催化剂的串联噻吩环化方案,构筑高性能非对称噻吩半导体材料。该工作近期发表在《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e2024008)。

  用N-甲基吡咯烷酮(NMP)做溶剂,在硫单质和K2CO3的存在下产生三硫自由基阴离子(S3⁻),将易得的1-卤-2-乙炔基苯衍生物加入到反应体系中加热,得到相应的不对称二苯并[d,d']噻吩[2,3-b;4,5-b']二噻吩(DBTDTs),收率高达61%。此反应的特点是没有金属催化剂的参与,在一锅法反应中形成6个C-S键和1个C-C键。通过控制实验、中间体俘获和动力学等实验,提出了一种独特的噻吩环化反应机理。

  单晶衍射分析显示,DBTDT呈现鱼骨状堆积,堆积距离为3.373Å;密度泛函理论(DFT)计算表明,沿p-p堆积方向,转移积分高达88.6 meV,有利于电荷传输。值得注意的是,DFT计算表明,非对称DBTDT比相应的对称DBTDT的偶极矩要小一些(0.6287 D Vs 0.8536 D)。

  采用物理气相输运法(PVT)制备了高质量的DBTDT单晶。如图a,单晶呈规则的一维形状,单晶的选择区域电子衍射(SAED)图像证明了其优良的质量(图b),单晶沿着优势的π-π方向生长(图c),有利于电荷传输。为了研究DBTDT单晶的电荷传输特性,制作了如图d所示的底栅顶接触单晶有机场效应晶体管(SC-OFET),转移和输出曲线如图e和f所示。结果发现,15个有效器件的平均迁移率为1.13 cm2V-1s-1,最大迁移率为1.52 cm2V-1s-1;Ion/Ioff大于105并且阈值电压低至约-7 V。值得注意的是,在非对称稠环的母体化合物中,DBTDT表现出最高的迁移率。

  总之,在该工作中,李保林副教授、王洋副教授与中国科学院化学研究所董焕丽研究员团队报道了一个S3引发的串联噻吩环化策略,构筑了高性能非对称噻吩半导体材料,载流子迁移率高达1.52 cm2V-1s-1这种高效的串联合成方法的发展将对促进高性能并噻吩材料的高效、低成本合成及相关应用发挥重要作用。