具有高电子和空穴迁移率的双极性有机半导体是构筑有机逻辑电路的关键材料。目前，具有良好平面性和窄带隙的醌式小分子被广泛应用于设计高性能的双极性半导体材料。然而，常用的单晶薄膜法和共混法虽能获得高迁移率，其繁琐的制备流程并不利于器件的实际应用，采用这类材料制备高双极性迁移率的OFET器件仍然存在挑战。武汉理工大学的吴迪/夏建龙团队提出了一种甲硫基侧链修饰的分子构筑策略，有效调控了目标分子的轨道能级和薄膜堆积取向，获得的苯并二噻吩（BDT）类醌式小分子QBDTS和QTBDTS均展现出优异的双极性电荷传输特性（图1），其中QTBDTS的电子迁移率为0.3 cm2 V-1 s-1，且空穴迁移率高达1.8 cm2 V-1 s-1，展现出良好的实际应用前景。![]()
图1. 采用甲硫基侧链修饰的QBDTS和QTBDTS分子均展现出优异的双极性电荷传输特性。光电特性测试结果表明，甲硫基的引入有效改善了分子的前线轨道能级，QBDTS和QTBDTS的HOMO/LUMO能级分别为-5.66/-4.56 eV和-5.27/-4.48 eV，其与金电极的功函数更为匹配，能提升器件的空穴传输效率（图2）。同时电子顺磁共振（EPR）结果显示QTBDTS具有双自由基特性，说明该侧链修饰策略不影响醌式BDT基小分子的双自由基特性。采用原子力显微镜（AFM）进行形貌表征，发现QBDTS和QTBDTS薄膜具有强结晶性和较少的晶界，薄膜的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）测试结果表示，薄膜的分子堆积取向以edge-on方式为主，证明甲硫基侧链的引入可提升薄膜结晶性，并有利于形成更优的分子取向，使得OFET器件显示出良好的双极性迁移率。![]()
图2. （a）QBDTS和QTBDTS分子的合成路线图；（b）QTBDTS有机场效应晶体管器件的转移和输出特性曲线。该成果近期发表于Science China Chemistry。武汉理工大学吴迪副教授和夏建龙教授为文章通讯作者。详见：Li Chen, Xiaoqi Luo, Nuoya Li, Shaoqian Peng, Qing Jiang, Di Wu*, Jianlong Xia*. Methylthio side-chain modified quinoidal benzo-[1,2-b:4,5-b′] dithiophene derivatives for high-performance ambipolar organic field-effect transistors. Sci. China Chem., DOI: 10.1007/s11426-024-2102-6.扫描二维码或点击左下角“阅读原文”可查阅全文。
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