本发明专利技术提供一种以式I所示的化合物为有机半导体层的有机场效应晶体管及其制备方法与应用。式I中，R1和R2相同或不同，均选自氢、取代或未取代的C1-C50的烷基、取代或未取代的C6-C50的芳基中的至少一种；X为C＝C或C≡C。本发明专利技术的有机场效应晶体管表现出了非常好的器件稳定性，且对于不同波长入射光的传感响应差异显著，对于光强仅为37μW cm-2的波长为365-420nm的UVA波段紫外光能够表现出非常灵敏的传感响应，光响应度(R)超过6000A/W，感光灵敏度(P)最高可以达到6.75×105，因而所述有机场效应晶体管可用于制备紫外光传感器，制得的紫外光传感器对UVA波段紫外光表现出的感光灵敏度基本不随光强度变化而变化，在反向检测入射光分布区间方面具有极大优势。
【技术实现步骤摘要】
一种有机场效应晶体管及其在紫外光传感中的应用
本专利技术涉及有机场效应晶体管和光学传感领域，具体涉及一类含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的有机半导体材料和基于该类材料的有机场效应晶体管，所述有机场效应晶体管的制备方法及其在紫外光传感方面的应用。
技术介绍
有机场效应晶体管(OFETs)是利用电场来调控有机半导体材料导电性能的有源器件。多年来，由于在大面积、低成本、柔性制备、可溶液法加工等方面具有极大优势，有机场效应晶体管材料和器件都得到了极大的发展。近年来，借助于有机半导体材料的物理化学性质和晶体管对微小电流的灵敏检测能力，有机场效应晶体管在压力、光、气体、手性传感等领域的多功能应用已经成为了新兴的研究热点。其中，在光传感领域，IDS,dark和IDS,ph分别对应晶体管器件在暗箱中和在具有一定光强(Pi)的入射光照射下的源漏电流，而感光灵敏度(P＝(IDS,ph–IDS,dark)/IDS,dark)和光响应度(R＝|IDS,ph–IDS,dark|/(SPi))是衡量有机光晶体管(OPT)感光性能的重要指标。理想的光响应材料及器件应该同时具有高的感光灵敏度(P)、光响应度(R)、载流子迁移率(μ)、可恢复性和器件稳定性，而可应用于光探测的材料及器件除了需要具备以上条件外，还应该对不同波长区间的入射光表现出显著差异化的、稳定的传感响应，而这正是目前该领域的研究难点之一。最初关于有机共轭小分子的光晶体管报道并没有引起广泛的关注，原因是这些光晶体管的器件性能远低于无机光晶体管(R≥300A/W)。2008年，Cho等报道了基于4(HPBT)-苯薄膜的光晶体管(Adv.Funct.Mater.2008,18,2905-2912)，对于波长为436nm、强度为6.8-30μW/cm2的可见光表现出了2500-4300A/W的光响应度和104的感光灵敏度，但是载流子迁移率仅为0.0013cm2/(Vs)。2010年，Guo等人制备了基于Me-ABT单晶的光晶体管(Adv.Funct.Mater.2010,20,1019-1024)，由于单晶结构中缺陷和晶界的极大减少，半导体材料的固态堆积结构得到了明显改善，器件的光响应度、感光灵敏度和载流子迁移率分别达到了12000A/W、6000和1.66cm2/(Vs)，但该报道中仅对光强为30μW/cm2的白光进行了测试。随后，Kim等人检测了A-EHDTT单晶晶体管在波长为400nm、强度为1.4μW/cm2的入射光照射下的响应曲线，其光响应度、感光灵敏度和载流子迁移率分别达到了14000A/W、105和1.6cm2/(Vs)(Adv.Mater.2011,23,3095-3099)。尽管这些器件的性能已经大大超过以无机单晶硅为基础的光晶体管，然而若要应用于光传感，这些有机光晶体管就必须对特定波长区间的入射光表现出优于其他波长区间的电学响应，这个优势不仅要明显，还要够稳定。目前报道的绝大部分有机光晶体管材料和器件都只选用单一光源进行光响应测试，即使观察到了高灵敏度的响应性能，由于没有对比其他波长照射下的器件性能(稳定的差别化响应)，无法判断材料的波长选择性。因此，能够设计和制备出对特定波长区间(紫外区、可见光区或红外区)做出特异性响应的材料和器件，对于生物医学、军事国防、天文探测等领域都具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一类含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物及其制备方法。本专利技术所提供的含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物，其结构式如式I所示：上述式I中，R1和R2相同或不同，均选自氢、取代或未取代的C1-C50的烷基、取代或未取代的C6-C50的芳基中的至少一种；X为C＝C或C≡C；具体地，所述含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物选自下述至少一种：当式I中X为C＝C时，上述含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物是按照包括下述步骤的方法制备得到的：1)在惰性气氛下，将冷至-78℃的化合物1的溶液与正丁基锂反应，待反应体系的温度升至室温后，继续搅拌1-5h，接着向反应体系中加入N,N-二甲基甲酰胺，搅拌下反应过夜，得到化合物2；2)在惰性气氛下，将冷至-78℃的化合物3的溶液与正丁基锂反应，待反应体系的温度升至室温后，继续搅拌1-5h，接着向反应体系中加入N,N-二甲基甲酰胺，搅拌下反应过夜，得到化合物4；3)在吡啶存在下，在锌粉和四氯化钛的共同催化下，使得化合物2与化合物4发生缩合反应，得到X为C＝C的式I所示的含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物。上述方法步骤1)和步骤2)中，所述惰性气氛具体可为氮气气氛。所述化合物1或化合物3与正丁基锂和N,N-二甲基甲酰胺的摩尔比依次为1:1-1.3:1-1.3，优选为1:1.1:1.1。所述化合物2与化合物4、吡啶、锌粉和四氯化钛的摩尔比依次为1:1：3-7:4-6:2-4，优选为1:1:5:4.6:2.3。所述缩合反应在有机溶剂中进行，所述有机溶剂具体可为四氢呋喃。所述缩合反应在回流下进行，所述缩合反应的时间为4-48小时。当式I中X为C≡C时，上述含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物是按照包括下述步骤的方法制备得到的：a)在惰性气氛下，将冷至-78℃的化合物1的溶液与正丁基锂和I2反应，待反应体系的温度升至室温后，继续搅拌4-24h，得到化合物5；b)在惰性气氛下，将冷至-78℃的化合物3的溶液与正丁基锂和I2反应，待反应体系的温度升至室温后，继续搅拌4-48h，得到化合物6；c)在四(三苯基膦)钯和2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的共同催化下，将化合物5和化合物6与双(三丁基锡)乙炔进行反应，得到X为C≡C的式I所示的含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物。上述方法步骤a)和步骤b)中，所述惰性气氛具体可为氮气气氛。所述化合物1或化合物3与正丁基锂和I2的摩尔比为1:1-1.3:1-1.3，具体可为1:1:1。所述反应在有机溶剂中进行，所述有机溶剂具体可为四氢呋喃。上述方法步骤c)中，所述2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的用量为催化量。所述化合物5与化合物6、四(三苯基膦)钯、双(三丁基锡)乙炔的摩尔比为1:1:0.01-0.5:1，优选为1:1:0.2:1。所述反应在回流条件下进行，所述反应的时间为4-48h。本专利技术的再一个目的是提供式I所示的含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物的用途。本专利技术所提供的式I所示的含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物的用途是其作为有机半导体材料在制备有机场效应晶体管的半导体层中的应用。包含由所述式I所示的含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物制得的半导体层的有机场效应晶体管也属于本专利技术的保护范围。所述有机场效应晶体管具有底栅顶接触式结构或底栅底接触式结构。所述底栅顶接触式结构的有机场效应晶体管，自下而上依次包括：栅极层、位于所述栅极层上的绝缘层、位于所述绝缘层上的有机半导体层，以及位于同一层，且均位于所述有机半导体层上的源、漏电极。所述底栅底接触式结构的有机场效应晶体管，自下而上依次包本文档来自技高网...
【技术保护点】
式I所示的化合物：式I中，R1和R2相同或不同，均选自氢、取代或未取代的C1‑C50的烷基、取代或未取代的C6‑C50的芳基中的至少一种；X为C＝C或C≡C。
【技术特征摘要】
1.式I所示的化合物：式I中，R1和R2相同或不同，均选自氢、取代或未取代的C1-C50的烷基、取代或未取代的C6-C50的芳基中的至少一种；X为C＝C或C≡C。2.根据权利要求1所述的式I所示的化合物，其特征在于：所述式I所示的化合物选自下述任意一种：3.一种制备权利要求1或2所述的式I所示的化合物的方法，包括下述步骤：1)在惰性气氛下，将冷至-78℃的化合物1的溶液与正丁基锂反应，待反应体系的温度升至室温后，继续搅拌1-5h，接着向反应体系中加入N,N-二甲基甲酰胺，搅拌下反应过夜，得到化合物2；2)在惰性气氛下，将冷至-78℃的化合物3的溶液与正丁基锂反应，待反应体系的温度升至室温后，继续搅拌1-5h，接着向反应体系中加入N,N-二甲基甲酰胺，搅拌下反应过夜，得到化合物4；3)在吡啶存在下，在锌粉和四氯化钛的共同催化下，使得化合物2与化合物4发生缩合反应，得到X为C＝C的式I所示的含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物；化合物1、化合物2、化合物3和化合物4中的R1和R2的定义同权利要求1中R1和R2的定义；或a)在惰性气氛下，将冷至-78℃的化合物1的溶液与正丁基锂和I2反应，待反应体系的温度升至室温后，继续搅拌4-24h，得到化合物5；b)在惰性气氛下，将冷至-78℃的化合物3的溶液与正丁基锂和I2反应，待反应体系的温度升至室温后，继续搅拌4-48h，得到化合物6；c)在四(三苯基膦)钯和2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚的共同催化下，将化合物5和化合物6与双(三丁基锡)乙炔进行反应，得到X为C≡C的式I所示的含苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩二聚体的化合物；化合物5和化合物6中的R1和R2的定义同权利要求1中R1和R2的定义。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤1)和步骤2)中，所述化合物1或化合物3与正丁基锂和N,N-二甲基甲酰胺的摩尔比依次为1:1-1.3:1-1.3；步骤3)中，化合物2与化合物4、吡啶、锌粉和四氯化钛的摩尔比依次为1:1：3-7:4-6:2-4；步骤3)中，所述缩合反应在有机溶剂中进行，所述有机溶剂为四氢呋喃；步骤3)中，所述缩合反应在回流下进行，所述缩合反应的时间为4-48h；步骤a)和步骤b)中，所述化合物1或化合物3与正丁基锂和I2的摩尔比...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟青，赵广耀，刘洁，邹业，胡文平，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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