并噻吩并吡咯醌式化合物、制备方法及包含该材料的半导体设备技术

本发明专利技术公开了一类并噻吩并吡咯醌式化合物、制备方法及其作为半导体活性层在有机场效应晶体管中的应用。该类化合物具有分子骨架平面性好、自组装能力强、LUMO能级低、能级带隙窄、对氧气和水不敏感等特点，吡咯结构的引入便于通过对取代基的修饰而调节样品溶解性，利于进行溶液加工。由旋涂法制备以化合物Ia为半导体层的有机场效应晶体管具有优良的双极型场效应性能(μh＝5.3×10‑3cm2V‑1s‑1,μe＝7.7×10‑3cm2V‑1s‑1)。其开关电流比在104以上，且在空气中稳定，具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一类并噻吩并吡咯醌式化合物、制备方法及其作为半导体活性层在有机场效应晶体管中的应用。该类化合物具有分子骨架平面性好、自组装能力强、LUMO能级低、能级带隙窄、对氧气和水不敏感等特点，吡咯结构的引入便于通过对取代基的修饰而调节样品溶解性，利于进行溶液加工。由旋涂法制备以化合物Ia为半导体层的有机场效应晶体管具有优良的双极型场效应性能(μh＝5.3×10?3cm2V?1s?1,μe＝7.7×10?3cm2V?1s?1)。其开关电流比在104以上，且在空气中稳定，具有重要的应用价值。【专利说明】并噻吩并吡咯醌式化合物、制备方法及包含该材料的半导体 设备
本专利技术涉及有机场效应晶体管的半导体材料，尤其是涉及一种并噻吩并吡咯醌式 化合物、制备方法及包含该材料的半导体设备。
技术介绍
近几十年，随着新型有机半导体材料的设计合成以及器件制备技术的优化，有机 场效应晶体管(0FET)在器件性能方面取得了突飞猛进的发展。其中，p-型半导体的发展最 快，其最高场效应迀移率已经可与传统无机硅材料相媲美，且其空气稳定性较好。η-型半导 体通常场效应迀移率较低，空气稳定性差，因而其发展一直较为滞后。双极型半导体的报道 则更为稀少。鉴于双极型半导体在构筑逻辑互补电路中的重要作用，空气稳定的高性能双 极型半导体材料越来越引起学者的注意。 醌式化合物通常具有骨架极其平面、LUM0能级低、能级带隙窄、对氧气和水不敏感 等特点，是一类很有潜力的有机半导体材料。在已报道的文献中，大部分醌式化合物只存在 电子传输，也即η-型半导体，例如，2014年，朱道本等人报道了二维联三噻吩型四氰基醌式 化合物，该类化合物在有机场效应晶体管中取得迄今为止最高的电子迀移率3.Ocn^ViiT1(参见：Zhu D.，et al.，J.Am.Chem.Soc.2014，136，16176-16184)〇 在醌式化合物的研究过程中，研究者们也发现在部分器件当中也会出现双极型电 荷传输的现象。例如，Reid J.Chesterfield等人首次发现联三噻吩型四氰基醌式化合物在 高温情况下表现出双极型电荷传输，然而其双极型场效应迀移率较低（参见：Re id J.Chesterfield，et al.Adv.Mater .2003,15( 15) ,1278-1282)。此后，以醌式化合物为半导 体层的双极型有机场效应晶体管虽有报道(参见:Handa S.，et al.Chem.Comm.2009(26): 3919)，但数量十分有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种并噻吩并吡咯醌型结构化合物、制备方法及包含该材料 的半导体设备。 本专利技术涉及一类如通式I所示的并噻吩并吡咯醌式化合物。 其中，R独立的选自一价可溶性基团。 在本专利技术的一个实施方案中，本专利技术的化合物是： 本专利技术提供的制备上述式I所示化合物的方法，包括下述步骤： (1)将化合物II与丙二腈负离子进行偶联反应，制得化合物III; (2)将化合物III进行氧化反应，即可。 其中，R基团的选自碳原子总数为d-Cso的烷基或芳基，优选2-己基癸基，对2-己基 癸氧基苯基;X为卤素，优选碘。 所述的制备方法中，步骤（1)中所述的偶联反应包含下列步骤:有机溶剂中，将化 合物II在磷配体配位的零价钯试剂的催化下与丙二腈负离子进行反应，即可;其中，所述的 有机溶剂为烷氧醚类溶剂;所述的磷配体配位的零价钯试剂为四（三苯基膦)钯;所述的磷 配体配位的零价钯试剂与化合物II的摩尔比为0.01:1~0.5:1;所述的丙二腈负离子与化 合物II的摩尔比为2:1~10:1;所述的反应的温度为80~100°C;所述的反应时间以检测反 应完成为止。 所述的制备方法中，步骤（1)中的丙二腈负离子由丙二腈和强碱在有机溶剂中反 应制得;其中，所述的有机溶剂为烷氧醚类溶剂;所述的强碱为活泼金属氢化物;所述的强 碱与丙二腈的摩尔比为2:1~5:1;所述的反应温度为-10°C~10°C;所述的反应时间为 30min~lh〇 所述的制备方法中，步骤(2)中所述的氧化反应包含下列步骤:将化合物III直接 暴露于空气中与氧气反应，即可。 上述由本专利技术提供的式I所示化合物构成的有机场效应晶体管的半导体层，也属 于本专利技术的保护范围。 本专利技术还提供了一种双极型有机场效应晶体管，由下至上依次由衬底、绝缘体层、 半导体层和位于同一层的源电极层和漏电极层组成;所述源电极层和漏电极层不接触。其 中，构成所述半导体层的材料为前述本专利技术所提供的式I所示化合物。 上述双极型有机场效应晶体管可通过本领域常规方法制备，其含有上述内容所描 述的化合物。 本专利技术的积极进步效果在于:本专利技术提供的并噻吩并吡咯醌式化合物具有分子骨 架平面性好、自组装能力强、LUM0能级低、能级带隙窄、对氧气和水不敏感等特点，吡咯结构 的引入便于通过对取代基的修饰而调节样品溶解性，利于进行溶液加工。因此，该类化合物 是一类具有很大应用前景的有机半导体材料。由旋涂法制备半导体层的有机场效应晶体管 具有优良的双极型场效应性能(yh = 5.3 X l(r3cm W1，= 7.7 X KT3cmW1)。其开关电 流比在1〇4以上，且在空气中稳定，具有重要的应用价值。【附图说明】 图1为化合物la的1H-NMR谱图。 图2为化合物la的13C_NMR谱图。 图3为化合物Ila的1H-NMR谱图。 图4为化合物Ila的13C_NMR谱图。 图5为化合物IV的1H-NMR谱图。 图6为化合物IV的13C_NMR谱图。 图7为化合物lb的1H-NMR谱图。 图8为化合物VII的1H-NMR谱图。 图9为化合物VII的13C-NMR谱图。 图10为化合物la的紫外-可见吸收谱图。 图11为以化合物la为半导体层的有机场效应晶体管的结构示意图。图12和图13为以化合物la为半导体层的有机场效应晶体管的输出曲线。图14和图15为以化合物la为半导体层的有机场效应晶体管的转移曲线。【具体实施方式】下面结合实施例子进一步说明本专利技术以及本专利技术方法进行的方式。这些实施例子 仅是为了进一步阐述本专利技术而非本专利技术的保护仅限于此。本专利技术中所述的原料或试剂除特 别说明之外，均市售可得。实施例1:化合物la的合成 在0°C、氮气保护下，向装有氢化钠（56 · 0mg，60wt%，1 · 4mmol)和1，2-二甲氧基乙 烷(5mL)的20mL三口烧瓶中一次性加入丙二腈(46.2mg，0.7mmo 1)，泡沫消除后升至室温反 应30分钟。将所制得的丙二腈阴离子溶液通过插管转移到装有化合物IIa( 136.5mg， 0.14mmol)、四（三苯基膦）钯（32.4mg，0.028mmol)和1,2-二甲氧基乙烷（10mL)的50mL三口 烧瓶中，在氮气保护下加热回流反应3小时。随后将反应温度降至室温，并暴露于空气中，加 入稀盐酸（10mL，1M)，在冰水浴中搅拌30分钟，用乙醚萃取(30mL X 3)，合并有机相并用饱和 食盐水洗涤，以无水硫酸镁干燥，旋转蒸发除去有机溶剂，残留物经硅胶柱色谱分离(洗脱 剂：正己烷/二氯甲烷=1/4)后得到化合物la (蓝色固体，90 . Omg，收率：75 % )。咕N本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有下述通式I的并噻吩并吡咯醌式化合物：其中，R选自一价可溶性基团。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于晓强，江华，包明，冯秀娟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21