芘二酰亞胺：兼具高電子遷移率和雙光子熒光性能的有機半導體

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

(a) 新型有機半導體材料PyDI與傳統(tǒng)芳香二酰亞胺類分子的結構對比；(b) 中間產物的能級調控

近年來，伴隨著有機電子學的蓬勃發(fā)展，有機半導體材料的研究逐漸成為了科研領域的熱點之一。與傳統(tǒng)的無機半導體材料相比，有機半導體材料具備獨特的優(yōu)勢，比如分子結構易于調控、可溶液處理和易于大規(guī)模制備1,2。有機半導體材料在新一代電子產品，諸如柔性器件、低功耗顯示、電子皮膚等領域有廣泛的應用前景。

依據載流子類型劃分，有機半導體主要分為p-型(傳輸空穴)和 n-型(傳輸電子)材料。目前，n-型有機半導體材料的發(fā)展遠遠落后于p-型材料，主要表現在：1) n-型材料的遷移率普遍偏低；2) n-型材料的數量和種類遠少于p-型；3) 空氣中穩(wěn)定性不足3。缺乏優(yōu)秀的 n-型材料極大地限制了高性能有機光電器件的開發(fā)及應用，因此開發(fā)新型高性能的n-型有機半導體材料顯得十分重要。

最近，蘭州大學化學化工學院張浩力教授課題組報道了一類兼具高遷移率與良好發(fā)光性能的 n-型有機半導體小分子，4,5,9,10-芘二酰亞胺(PyDI)衍生物。該工作提出了兩種可行的合成路線，在芘的非活潑位點，4、5、9、10位進行親電取代，可以得到多種 PyDI類衍生物。他們通過調控烷基鏈，并控制從溶液中的結晶條件，得到了高質量的晶體，并進一步成功制備了單晶有機場效應晶體管器件?；?PyDI的晶體管器件最高電子遷移率可以達到3.08 cm2·V?1·s?1，足以媲美經典的苝二酰亞胺(PDI)和萘二酰亞胺(NDI)4,5。同樣重要的是PyDI以芘作為基本結構，繼承了芘良好的發(fā)光特性，顯示出了良好的雙光子熒光性能。該工作同時發(fā)現，PyDI分子存在激基締合物現象，可以產生單體和激基締合物兩種熒光發(fā)射，可以被設計為基于單體-激基締合物的熒光探針，有廣泛的應用前景。該研究與浙江大學高分子科學與工程學系李寒瑩教授課題組合作完成。

該研究工作近期已在 Angewandte Chem ie International Edition上在線發(fā)表6。該工作不僅提供了可行的合成路線，合成了一系列 PyDI分子及其衍生物，并且通過有效的性能調控，展示了PyDI分子較高的遷移率。此外，該分子兼具良好的發(fā)光性能，有望應用在場效應晶體管、有機電致發(fā)光、有機光伏器件和有機激光器等多種有機電子器件中。

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