一种基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料及其制备方法以及一种有机场效应晶体管技术

本发明专利技术涉及有机半导体材料技术领域，提供了一种基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料及其制备方法以及一种有机场效应晶体管。本发明专利技术提供的半导体材料是一种全新的、具有多氟原子和氮原子的异靛蓝衍生物，其具有强的缺电子特性、低的LUMO能级、高的稳定性、n型电子传输特性、分子骨架的高共平面性和优良的分子内电荷转移特性，还具有较宽的光谱吸收带，使其在光伏器件中也有巨大的应用潜力。采用本发明专利技术的n型有机半导体材料为有机层制备得到的有机场效应晶体管具有n型传输特性，电子传输迁移率高、在空气中稳定性好。在空气中稳定性好。在空气中稳定性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料及其制备方法以及一种有机场效应晶体管


[0001]本专利技术涉及有机半导体材料
，尤其涉及一种基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料及其制备方法以及一种有机场效应晶体管。

技术介绍

[0002]有机场效应晶体管(OFET)是一种利用有机半导体组成信道的场效应晶体管。最近二十年来，有机场效应晶体管在可卷曲显示屏、智能识别卡、可穿戴和可植入式电子设备中具有优异的表现，从而备受关注。
[0003]OFET是一种以金属电极
‑
绝缘体层
‑
有机半导体层为主要组成部分的一种电子器件，目前有机半导体层主要为π共轭有机材料。在过去几年中，大多数报道的半导体都是p型半导体，目前p型半导体已经可以表现出很高的载流子迁移率和稳定性，而n型半导体的研究却非常少，且性能表现也不如 p型半导体。此外，由于在器件内需要n型和p型的性能进行匹配，因此开发新型的具有高载流子迁移率和高稳定性的n型半导体染料分子，对于 OFET的发展至关重要。
[0004]共轭半导体应具有合适的最低未占据分子轨道(LUMO)，该轨道能级应与金属电极的费米能级相匹配，以形成欧姆接触，有利于电子从电极注入半导体，并促进电子在半导体层的传输。然而在大多数情况下，共轭材料的 LUMO能级水平相对于金属电极都偏高，这样很难保证载流子的传输性能。为了降低共轭材料的LUMO水平，简单有效的策略是在分子中引入缺电子基团。近年来，在分子结构设计上，吡咯并吡咯烷酮、靛蓝、N,N
’‑
二甲基
ꢀ‑
3,4,9,10
‑
苝四羧酸二亚胺及其衍生物常被作为受体基团被广泛用于设计n 型半导体；此外，在分子中引入氟原子、不饱和氮原子、氯原子和氰基(
‑
CN)，提高材料的缺电子能力，也可显著降低LUMO能级。然而，过低的LUMO 能级常会造成器件不稳定等问题，因为其很容易就能被弱的亲核试剂进攻。因此，经过大量的实践，人们认为理想的有机半导体层材料的LUMO能级应在
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3.6eV到
‑
4.5eV之间。通过近几年所报道的材料来看，开发具有强的缺电子特性和高电子传输能力、且具有高稳定性的n
‑
型半导体材料仍具有较高的挑战性。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料及其制备方法以及一种有机场效应晶体管。本专利技术提供的基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料是一种全新的大π共轭体系分子，具有强的缺电子特性和较低的LUMO能级，展现出高稳定性的n型电子传输特性。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]一种基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料，结构式如式I所示：
[0008][0009]式I中：R为
[0010]本专利技术还提供了上述方案所述基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011]将异靛蓝、氮杂芳胺、四氯化钛、三乙胺、三氟化硼乙醚和苯类溶剂混合进行希夫碱反应，得到具有式I所示结构的基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料；
[0012]所述异靛蓝的结构如式II所示，所述氮杂芳胺的结构如式III所示：
[0013][0014]优选的，所述希夫碱反应具体包括：将异靛蓝、氮杂芳胺和苯类溶剂混合在氮气保护和回流条件下反应1～1.5h，然后向反应体系中加入四氯化钛，反应10～15min后加入三乙胺，继续反应1.5～2h后，加入三氟化硼乙醚，反应至结束，得到具有式I所示结构的基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料。
[0015]优选的，所述苯类溶剂为甲苯或二甲苯；加入所述三氟化硼乙醚后反应的时间为12～15h。
[0016]优选的，所述异靛蓝和氮杂芳胺的摩尔比为(4～4.5):1；所述四氯化碳和氮杂芳胺的摩尔比为(5.5～6):1；所述三乙胺和氮杂芳胺的摩尔比为 (14.5～15):1；所述三氟化硼乙醚与氮杂芳胺的摩尔比为(15.5～16):1。
[0017]优选的，所述氮杂芳胺的制备方法包括以下步骤：
[0018]将2
‑
氨基
‑3‑
羟基吡啶、7
‑
(溴甲基)十五烷、氢化物和有机溶剂混合进行缩合反应，得到具有式III所示结构的氮杂芳胺；所述缩合反应在黑暗条件下进行。
[0019]优选的，所述氢化物为氢化钠或氢化钙。
[0020]优选的，所述希夫碱反应完成后，还包括将所得产物料液进行后处理；所述后处理
的方法包括：将所得产物料液倒入水中后用二氯甲烷萃取，将所得有机相干燥后去除溶剂，得到粗产物，将所述粗产物进行硅胶柱层析纯化，得到具有式I所示结构的基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料。
[0021]本专利技术还提供了上述方案所述基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料在有机场效应晶体管和光伏器件中的应用。
[0022]本专利技术还提供了一种有机场效应晶体管，其特征在于，采用权利要求1 所述的基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料作为有机半导体层。
[0023]本专利技术提供了一种基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料，结构式如式I所示。本专利技术提供的半导体材料是一种全新的、具有多氟原子和氮原子的异靛蓝(IIDG)衍生物——异靛蓝基二聚氮氟杂硼二吡咯烷(IIDG
‑
AB)；该有机半导体材料是基于靛蓝分子构建的大π共轭体系分子，具有强的缺电子特性和较低的LUMO能级，有利于电子从电极向半导体层的注入以及电子在半导体层的传递，展现出高稳定性的n型电子传输特性；另外，式I所示结构的n型有机半导体材料具有分子骨架高共平面性以及优良的分子内电荷转移特性，有利于电子在分子内的传递，还具有较好的分子排列和较强的分子聚集，该有利电子在分子半导体层分子间的传递；本专利技术为设计高性能n型有机场效应晶体管提供了一种有效的新材料，同时，该半导体材料有较宽的光谱吸收带，在530nm到850nm之间具有很宽的光吸收，使其在光伏器件中也有巨大的应用潜力。
[0024]本专利技术还提供了上述方案所述基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料的制备方法，本专利技术采用异靛蓝和氮杂芳胺为原料，根据希夫碱反应的原理，通过简单温和的方法制备得到了式I所示结构的n型有机半导体材料。本专利技术提供的制备方法步骤简单，容易操作，适宜大规模生产。
[0025]本专利技术还提供了一种有机场效应晶体管，采用上述方案所述的n型有机半导体材料为有机层。采用上述式I所示结构的n型有机半导体材料构建的有机场效应晶体管具有n型传输特性，其电子传输迁移率高、在空气中稳定性好。实施例结果表明，本专利技术构建的底栅底接触式有机场效应晶体管电子传输迁移率最高达到8.2
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2 V
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‑1，平均值为6.9
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料，结构式如式I所示：式I中：R为2.权利要求1所述基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料的制备方法，包括以下步骤：将异靛蓝、氮杂芳胺、四氯化钛、三乙胺、三氟化硼乙醚和苯类溶剂混合进行希夫碱反应，得到具有式I所示结构的基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料；所述异靛蓝的结构如式II所示，所述氮杂芳胺的结构如式III所示：3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述希夫碱反应具体包括：将异靛蓝、氮杂芳胺和苯类溶剂混合在氮气保护和回流条件下反应1～1.5h，然后向反应体系中加入四氯化钛，反应10～15min后加入三乙胺，继续反应1.5～2h后，加入三氟化硼乙醚，反应至结束，得到具有式I所示结构的基于异靛蓝氟硼杂化的n型有机半导体材料。4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述苯类溶剂为甲苯或二甲苯；加入所述三氟化硼乙醚后反应的时间为12～15h。5.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述异靛蓝和氮杂芳胺的摩尔比为(4～4.5):1；所述四氯化碳和氮杂芳胺的摩尔比为(5.5～6):1；所述三乙胺和氮杂芳胺的摩尔比为(14....

【专利技术属性】
技术研发人员：张海昌，邓志峰，梁东旭，艾桃桃，田京书，王鑫楠，刘马宁，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：