有机给受体复合物—新型双极性输运材料

qinyk_text_R1自首个基于给体-受体复合物的有机金属:四硫富瓦烯-四氰代对二亚甲基苯醌(TTF-TCNQ)被发现以来,有机给受体复合物在有机电子学领域得到了广泛关注。由给体分子和受体分子通过分子自组装得到的有机给受体复合物往往能实现超出单一组成单元固有性质的物理特性,如超导性,铁电性和光伏效应等。有机场效应晶体管由于在大面积、低成本和柔性化有机电子产品方面的潜在应用,成为有机电子学中的研究前沿领域之一。双极性场效应晶体管具有同时传输电子和空穴的能力,为更简洁有效的互补逻辑电路的制备提供了新的机遇。此外,双极性场效应晶体管有望实现在单一器件中实现发光和电流调控的集成,因此极有可能成为下一代发光器件的核心组成部分。双极性输运材料的合成与器件制备具有重要的研究意义和应用前景。

中科院化学研究所和清华大学的研究人员合作,以有机给受体复合物晶体为研究对象,在双极性单晶场效应晶体管方面取得系列进展(Adv. Mater. 2012,24,2603;J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 558)。但是,具有双极性输运特性的有机给受体复合物材料仍然非常稀少,性能相对也较低,尚无电子和空穴迁移率同时超过0.1 cm2 V-1 s-1的材料被报道。

针对提升给受体复合物单晶迁移率的问题,研究人员通过改变受体分子的电负性和共轭程度,利用给受体之间的电荷转移,调控了给受体之间的相互作用,成功制备了高性能的、空气稳定的、双极性输运给受体复合物单晶器件(Adv. Mater. 2014, 26, 4093)。在大气环境中该电荷转移复合物单晶表现出了最高0.77 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率和0.24 cm2 V-1 s-1的电子迁移率,该结果是到目前为止有机复合物体系中的最高值。大气中存储六个月后,器件迁移率没有明显衰减。晶体学分析表明增加受体分子的共轭体系,增强了给体和受体之间的π-π相互作用,并导致了准二维载流子传输网络的形成,极大地促进了空穴和电子的有效传输。基于分子间电子耦合的量化计算表明超交换效应和电子偶联同时存在于该复合物晶体中,证实了二维载流子传输网络的存在。该研究结果为改善给受体复合物体系的电输运性质提供了新思路。同时为进一步深入研究分子堆积结构,电荷转移和性能之间的关系提供了一个新的理想模型体系。