烷基链长度对非对称含噻吩五元稠环化合物传输性能的影响

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230082

摘要/Abstract

摘要：

含噻吩并苯类分子是一类代表性的高迁移率有机半导体材料，以其为共轭骨架构建的不对称分子在薄膜中倾向于形成双层排列结构，并以二维层状方式生长，有利于实现高迁移率。烷基取代基的长度会对有机半导体材料的堆积形貌产生影响。本文设计合成了不同长度烷基链取代的噻吩并［4，5-b］［1］苯并噻吩并［3，2-b］［1］苯并噻吩（syn-BTBTT-Cn，n=4，5，6，7，8，10），系统研究了烷基链长度对化合物热稳定性、能级、载流子传输能力、堆积结构和薄膜形貌等方面的影响。结果表明，所有化合物均不具备液晶性，热稳定性良好。在所制备的蒸镀薄膜中所有分子均形成双层堆积结构，共轭核在层内形成鱼骨架堆积，烷基链长度会影响薄膜的有序度和堆积的紧密程度。基于该类材料制备的有机薄膜晶体管（OTFT）器件的迁移率都超过7.0 cm²/（V·s），其中syn-BTBTT-C8分子的迁移率最高可达13.8 cm²/（V·s），平均值为12.5 cm²/（V·s）。

关键词: 含噻吩并苯类分子, 非对称结构, 有机薄膜晶体管, 迁移率

Abstract:

Thienoacenes are a representative class of high mobility organic semiconductor materials （OSCs）. Asymmetric molecules based on them tend to form a bilayer arrangement in thin films and grow in a two-dimensional layer-like manner， which has the advantage of achieving high mobility. The length of the alkyl substituents affects the packing microstructure of OSCs. Herein， thieno［4，5-b］［1］benzothieno［3，2-b］［1］benzothiophenes substituted with different lengths of alkyl chains （syn-BTBTT-Cn， n=4，5，6，7，8，10） are designed and synthesized to systematically investigate the effects of lengths of alkyl chains on their thermal stability， energy levels， charge carrier transport capabilities， packing structures and film morphologies. All compounds are thermally stable and do not have liquid crystalline behaviors. All molecules in the vacuum-deposited films form a bilayer arrangement， within the conjugated cores forming a herringbone packing motif， and the alkyl chain length affects the film order and the tightness of the packing. Organic thin. film transistors devices all exhibit mobilities beyond 7.0 cm²/（V·s）. Among them， the syn-BTBTT-C8 devices show a mobility of up to 13.8 cm²/（V·s） with the average values of 12.5 cm²/（V·s）.

Key words: Thienoacenes, Asymmetric structure, Organic thin-film transistors, Mobility

中图分类号:

O649

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图/表 5

图1 syn-BTBTT-Cn的合成路线

Fig.1 Synthetic route of syn-BTBTT-Cn

表1 基于syn-BTBTT-Cn（n=4，5，6，7，8，10）的OTFT器件性能

Table 1 Device performances of syn-BTBTT-Cn（n=4，5，6，7，8，10） based on OTFTs

syn-BTBTT-Cn	μ_s-max/（cm²·V^-1·s^-1）	μ_s-ave±σ/（cm²·V^-1·s^-1）	V_T/V	I_on/off
n=4	8.8	7.1±1.2	-11~-17	1×10⁸
n=5	11.8	10.8±0.8	-12~-17	1×10⁹
n=6	12.3	11.5±0.6	-13~-17	1×10⁹
n=7	12.5	10.9±0.8	-11~-15	1×10⁹
n=8	13.8	12.5±0.8	-14~-18	1×10⁹
n=10	12.6	11.4±1.1	-15~-20	1×10⁹

图2 syn-BTBTT-C8的典型输出曲线（A）及转移曲线（B），以及器件迁移率随烷基链碳原子数量的变化（C）

Fig.2 Typical output （A） and transfer （B） curves of syn-BTBTT-C8 and changes in device mobility as a function of the number of carbons in the alkyl chain （C）

图3 syn-BTBTT-Cn在SubOTMS上的薄膜（~25 nm）的面外方向（A）和面内方向XRD图（B）

Fig.3 Out-of-plane （A） and in-plane XRD patterns （B） of syn-BTBTT-Cn thin films （~25 nm） on SubOTMS

图4 syn-BTBTT-Cn（n=4（A），5（B），6（C），7（D），8（E），10（F））在SubOTMS上的薄膜（约25 nm）的AFM高度图

Fig.4 AFM height images of syn-BTBTT-Cn （n=4（A）， 5 （B）， 6 （C）， 7 （D）， 8 （E）， 10 （F）） films （~25 nm） on SubOTMS

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