場效應晶體管是半導體器件的重要元件之一，被廣泛地用于計算機、通信和信息技術之中。有機場效應晶體管具有低成本、輕便、柔性等特點，并且可以采用溶液加 工，在邏輯電路、顯示器件和射頻電子標簽等領域具有巨大的潛在應用價值。同時，場效應晶體管也為研究有機光電材料的構效關系以及有機光電材料內部電荷傳輸 機制提供了一個很好的器件平臺，這些科學問題的研究對于其他光電器件，如有機電致發(fā)光二極管和太陽能電池也具有重要的意義。
近年來，大量缺電子的片段被應用于有機場效應晶體管的研究中，并實現(xiàn)了在空氣下高的空穴遷移率和在氮氣下高的電子遷移率。然而在空氣下電子遷移率超過1 cm2 V?1 s?1的 有機材料卻極少報道，嚴重阻礙了n-型材料的進一步應用。因此，開發(fā)新型的缺電子骨架以實現(xiàn)空氣穩(wěn)定的電子傳輸性能是有機場效應晶體管材料的研究難點。在 本工作中，裴堅-王婕妤課題組在他們此前設計開發(fā)的BDOPV(北大OPV)分子共軛骨架上引入氟原子，進一步降低分子的LUMO能級，從而提高材料的空 氣穩(wěn)定性并改善載流子注入。同時，氟原子的引入使得分子在單晶中表現(xiàn)出少見的反平行共面排列。得益于這種有效的共軛堆積模式，在單晶中F4-BDOPV的電子轉移積分達到了201 meV，為目前報道的最高的轉移積分值。隨后，課題組將F4-BDOPV的微米線加工成場效應晶體管器件，在空氣下其電子遷移率達到了12.6 cm2V?1s?1，且空氣下非常穩(wěn)定，這一結果是目前有機半導體材料電子遷移率的最高值，該項工作近期發(fā)表于Advanced Materials 2015,27, 8051-8055，同時被選為當期底封面文章(如上圖所示)。
結構與性能的關系是材料科學的研究核心。有機半導體中的載流子傳輸與其分子排列密切相關，然而影響有機小分子晶體排列的因素很多且非常復雜，使得合理地調 控其分子排列以及對結構與性能關系的研究變得尤為困難。在本工作中，研究人員在共軛骨架的不同位置引入不同數(shù)目的氟原子，成功獲得并解析了五個晶體的單晶 結構。這一系列化合物的單晶排列隨分子偶極矩與靜電勢的改變而逐漸發(fā)生變化，并且其器件性能以及轉移積分的計算結果也隨其單晶排列不同而不同，五個晶體在 空氣中的電子遷移率均超過2 cm2V?1s?1，最高超過10 cm2V?1s?1(如上圖所示)。該項工作近期發(fā)表于Journal of the American Chemical Society 2015,137, 15947-15956。
這一系列工作運用超分子化學的思想和方法，通過對分子間弱相互作用力的調控來設計合成有機光電功能材料、研究器件性能，并探索其結構和性能的關系。 此外，研究組進一步利用研究得到的結構和性能的關系，設計合成新的材料體系，并最終實現(xiàn)了高性能材料體系的開發(fā)。該系列工作不僅具有實際應用價值，而且對 理解載流子在有機材料中的遷移過程具有重要的理論意義。
博士研究生竇錦虎是Advanced Materials文章的第一作者。博士研究生竇錦虎、鄭雨晴是Journal of the American Chemical Society文章的并列第一作者，中科院化學研究所易院平課題組參與了該系列研究的理論計算工作。相關工作得到了科技部、國家自然科學基金委和上海光源的資助與支持。
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