[发明专利]有机半导体材料

说明书

本发明涉及新型n-型有机半导体材料，和含有所述n-型有机半导体材料的半导体器件。

已知有机半导体是通过施加电磁能或化学掺杂剂，电荷可以可逆地引入其内的材料。这些材料的导电性位于金属和绝缘体之间，横跨10^-9至10³Ω^-1cm^-1的宽范围。与常规的无机半导体一样，有机材料充当或者p-型或者n-型。在p-型半导体中，大多数载体是空穴，而在n-型中，大多数载体是电子。

绝大多数现有技术集中在p-型有机半导体材料的设计，合成和结构-性能的关系上，其中包括低聚并苯，稠合的低聚噻吩，蒽二噻吩，咔唑，低聚苯和低聚芴，它们中的一些导致性能优于无定形硅的场效应晶体管。相反，n-型低聚物和聚合物半导体的开发落在了p-型材料之后。事实上，与p-型半导体相比，n-型半导体仍然没有被充分地开发，且性能不令人满意。

然而，还要求拥有高的电子亲和力的有机半导体，因为对于有效的逻辑电路和有机太阳能电池来说，均要求p-和n-沟道材料。确实，n-型有机场效应晶体管被视为有机p-n结、双极晶体管和互补电路的关键组件，从而导致挠性、大面积和低成本的电子应用。

在本领域中各种有机半导体被视为n-型有机半导体材料。

在第一n-沟道材料当中，报道了芳族四羧酸酐及其二酰亚胺衍生物。在这一组材料当中，具有氟化侧链的芘四羧酸二酰亚胺显示出最多0.72cm²V^-1s^-1的迁移率，一旦暴露于空气下，它仅仅略微下降。可通过改变侧链长度，插入氧化基团和氟化程度，从而改变空气稳定性，填充粒度和沉积的薄膜的形貌以及电性能。然而，大多数芘的结构单元由于结构刚性和适中的溶解性导致不能容易地结构变化，从而限制可接近的材料体积。

描述了其他组的n-型有机材料，例如氰基乙烯基低聚物，富勒烯。

J.Am.Chem.Soc.2009,131,16616-16617描述了二酮基吡咯并吡咯共聚物的双极性电荷传输性能。

在Mater.2010,22,47,5409-5413中描述的苯并噻二唑-二酮基吡咯并吡咯共聚物分别显示出0.35cm²V^-1s^-1和0.40cm²V^-1s^-1的高且平衡的空穴-和电子迁移率。对于在错列的顶浇口(top gate)结构内，称为聚{[N,N9-双(2-辛基十二烷基)-萘-l,4,5,8-双(二羧酰亚胺)-2,6-二基]-交替-5,59-(2,29-联噻吩)}，(Polyera Activlnk N2200)的仅仅电子传输n-型聚合物来说，在空气中实现最多0.85cm²V^-1s^-1的较大的电子迁移率值。

在J.Am.Chem.Soc.2005,127,1348和Angew.Chem.Int.Ed.2003,42,3900中还描述了由带有氟化侧基的低聚噻吩组成的n-型半导体材料。这些低聚物显示出最多0.43cm²V^-1s^-1的迁移率。然而，基于大多数这些全氟芳基和全氟烷芳基取代材料的OFETs在空气中不稳定或者具有高阈电压的缺点。还描述了氟代羰基-官能化的低聚物，它显示出改进的空气稳定性，但相对于氟化低聚物，具有较低的电子迁移率。

还描述了含有联噻吩-酰亚胺单元作为内部芯的低聚物和聚合物。

例如，J.Am.Chem.Soc.2008,130,9679-9694描述了N-烷基-2,2'-联噻吩-3,3'-二羧酰亚胺-基均聚物和共聚物，取决于聚合物结构，它们显示出p-型或n-型半导体行为。然而，采用这些材料，不可能实现空气稳定的器件。另外，起始的二卤化联噻吩-酰亚胺化合物的反应性差限制了这一组材料的可接近性(accessibility)。

J.Am.Chem.Soc.1998,120,5355-5362,Tetrahedron Letters44(2003)1653-1565公开了含贫电子的3,4-酰亚胺基-噻吩基嵌段交替富电子的氨基取代的噻吩基嵌段的共聚物。关于这些共聚物的电性能，没有进行研究。

在Organic Letters2004,6,19,3381-3384中描述了N-烷化聚(二氧吡咯联噻吩)。然而，没有报道在OFET器件中有效的n-型行为的证据。