[发明专利]一类基于苯并噻二唑的大平面构筑单元及其衍生物

说明书

技术领域

本发明涉及一类基于苯并噻二唑的大平面构筑单元及其衍生物，属于光电材料技术领域。

背景技术

六苯并苯作为石墨烯的片断单元，因其具有高度的平面结构而备受关注。基于该结构进行发展的衍生物分子在有机场效应晶体管(OFETs)和有机太阳能电池(OPVs)中的应用十分广泛，如德国科学家Klaus Mullen报道的六苯并苯分子、系列两亲性六苯并苯分子以及在该分子基础上进一步拓展芳环面积的超级苯并萘分子等。这类材料具有大平面分子结构，十分有利于分子间π-π堆积，从而形成较为规整排列的聚集态结构。更重要的是，在这类规整排列的聚集态结构中电子的活动范围很大、易于迁移，在OFET中表现为较高的电子迁移率。

在现有报道中，这类材料中主要的研究方向是将芳环结构扩大以形成石墨烯片断单元，但往往忽视了对片断单元的掺杂，来调控该类材料的能级，从而实现该类材料在有机电子器件中的更多应用。特别是在OPV材料的研究中，由于OPV材料需要高的迁移率和窄的带隙，而这类材料本身具有较高的迁移率，因此可以通过掺杂杂原子来实现窄带隙，从而实现该类材料在OPV材料中的进一步应用。

在OPV活性给体材料中，噻吩和噻唑是两类使用非常普遍的明星单元，因为噻吩单元有一定的给电子能力同时可以作为π桥来使用，而噻唑单元主要贡献在于强的吸电子能力，在给电子和吸电子单元的相互作用下可以实现对分子能级和能隙的调控，从而满足给体材料在吸光方面的条件，即能隙在1.5eV左右。

发明内容

本发明的目的是提供一类基于苯并噻二唑的大平面构筑单元及其衍生物，该大平面构筑单元具有良好的光电性能、稳定性、成膜性、溶解性，并且迁移率高、带隙窄，利用该构筑单元可以开发系列小分子和高分子衍生物材料。这些小分子及高分子衍生物表现出的较高载流子迁移率、窄能隙及可溶液加工等特性使得其在有机场效应晶体管和有机太阳能电池领域有着广泛的潜在应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段为：

一类基于苯并噻二唑的大平面构筑单元，其分子结构特征如式(I)所示：

其中，R₁分别为H、Cl、Br、I中的一种；R₂为烷基，其结构式为：-C_nH_2n+1，n＝1-20整数。

基于苯并噻二唑的大平面构筑单元的小分子和高分子衍生物，结构式分别如(II)和(III)所示：

其中，R₂为烷基类，其结构式为：-C_nH_2n+1，n＝1-20整数；

(II)中Ar结构式分别如下：

其中R₃为烷基类，其结构式为：-C_nH_2n+1，n＝1-20整数；*处为键合位点；

(III)中Ar结构式分别如下：

其中，R₄为烷基类，其结构式为：-C_nH_2n+1，n＝1-20整数；*处为聚合位点。

有益效果：本发明创造性的将六苯并苯和噻吩及噻唑单元进行整合，以苯并噻二唑和噻吩为原料，通过一系列偶联、卤化和关环反应合成得到新型基于苯并噻二唑的大平面结构单元的类六苯并苯大平面材料，该基于苯并噻二唑的大平面构筑单元的分子共轭平面较大，有助于提高聚集态时体系的载流子迁移率；结构中引入噻吩和噻唑基团，通过分子内的推拉电子作用，调节分子内能隙，成功得到窄能隙特性；引入长烷基链，调控分子相互作用力以改善材料整体的溶解性和可加工性。此外，基于该大平面构筑单元可以合成得到一系列小分子及高分子衍生物，小分子及高分子衍生物表现出的较高载流子迁移率、窄能隙及可溶液加工等特性使得其在有机场效应晶体管和有机太阳能电池领域有着广泛的潜在应用前景。

附图说明

图1为基于大平面构筑单元的高分子衍生物(R₂＝C₈H₁₇、Ar＝)的吸收光谱图。

图2为基于大平面构筑单元的高分子衍生物(R₂＝C₈H₁₇、Ar＝)作为给体材料的OPV器件的电流密度与电压(J-V)特性曲线。