专利名称：并吡咯二酮-噻吩醌化合物及其制备方法与应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及场效应晶体管的有机半导体材料，特别是涉及并吡咯二酮-噻吩醌化合物及其制备方法与应用。
背景技术：
有机场效应管(OFET)自从1986年首次出现以来(Tsumura，A. ；Koezuka, H.；Ando, T. App1. Phys. Lett. 1986,49,1210),由于其在大面积传感器、电子射频标签、电子纸、大屏幕显示器等方面的潜在应用价值得到了人们的广泛关注。与无机晶体管相比，有机场效应晶体管具有低成本，重量轻，柔韧性好等特点。近年来，有机场效应管取得了长足的发展，成为最为重要的有机电子器件之一。(Zaumseil,J. , Sirringhaus, H. , Chem. Rev. 2007,107，1296-1323 ；Murphy, A. R.，Frechet, J. M. J.，Chem. Rev. 2007，107，1066-1096 ；Sun Y.，Liu Y. Q.，Zhu D. B.，J. Mater. Chem.，2005，15，53-65.) 0目前，p-型有机半导体不仅场效应迁移率已经达到了与传统无机硅基材料相媲美的程度(K1 auk, H.，Halik, M.，Zschieschang, U.，Schmid, G.，Radlik, ff.，Weber, ff.，J. App1. Phys. 2002，92， 5259-5263 ；Katz,H. E.，Chem. Mater. 2004，16，4748-4756.)，而且也获得了良好的空气稳定性。然而，n-型有机半导体通常场效应迁移率比较低，空气稳定性比较差，因此它的发展一直滞后于P-型半导体。直到近年来，鉴于n-型半导体在构筑双极性晶体管和逻辑互补电路中发挥着重要作用，空气稳定的高性能n-型半导体材料越来越引起了研究者的兴趣(Usta, H.，Risko, C.，Wang, Z. M.，Huang, H.，Deliomeroglu, M. K.，Zhukhovitskiy, A. , Facchetti, A. , Marks, T. J. , J. Am. Chem. Soc. 2009,131,5586-5608 ；Ling, M. M. , Erk, P. , Gomez, M. , Koenemann, M. , Locklin, J. , Bao, Z. N. , Adv. Mater. 2007,19,1123-1127 ；Gsanger, M. , Oh, J. H. ；Konemann, M. , Hoffken, H. ff. , Krause, A. M. , Bao,Z. N.，Wurthner, F.，Angew. Chem.1nt. Edit. 2010,49, 740-743.)。目前，关于高性能、空气稳定并且可溶液加工的n-型半导体材料的报道显著增多(Gao，X. K.，Di，C. A.，Hu, Y. B.，Yang, X. D. , Fan, H. Y. , Zhang, F. , Liu, Y. Q. , Li, H. X. , Zhu, D. B. , J. Am. Chem. Soc. 2010,132,3697-3699 ；Hu, Y. B.，Gao，X. K.，Di，C. A. , Yang, X. D. , Zhang, F.，Liu，Y. Q.，Li，H.X.，Zhu，D. B.，Chem. Mater. 2011，23，1204-1215.)，n_型有机半导体的设计合成成为了大家关注的研究热点。基于噻吩寡聚物醌式结构的TCNQ类化合物作为新型的n-型半导体材料，具备了优异的综合性能高性能、空气稳定甚至有些可溶液加工，在OFET中显示出了良好的应用前景(Handa, S. , Miyazaki, E. , Takimiya, K. , Kunugi, Y. , J. Am. Chem. Soc. 2007,129,11684-11685 ；Suzuki, Y. , Miyazaki, E. , Takimiya, K. , J. Am. Chem. Soc. 2010,132，10453-10466 ；Suzuki, Y. , Shimawaki, M. , Miyazaki, E. , Osaka,1. , Takimiya, K. , Chem.Mater. 2011，23，795-804.)。目前，对于该类材料的设计思路主要是通过在寡聚噻吩的母核上修饰一些可溶性基团，或是调整端部的取代基类型，从而改善材料的溶解性以及分子在薄膜中堆积的有序性，达到提高材料综合性能的最终目的。然而，通过改变寡聚噻吩母核结构来优化分子性能的研究还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种并吡咯二酮-噻吩醌化合物及其制备方法与应用。本发明提供的并吡咯二酮-噻吩醌化合物，其结构通式如式I所示，
权利要求
1.式I所示并吡咯二酮-噻吩醌化合物，
2.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于所述式I中，R为碳原子总数为8的支 链烷基或碳原子总数为16的支链烷基。
3.一种制备权利要求1或2所述化合物的方法，包括如下步骤在四(三苯基磷)钯 (0)的催化作用下，将氢化钠、式II所示a-溴取代并吡咯二酮-噻吩寡聚物与丙二腈化钠 盐混匀进行亲核取代反应生成二负离子中间体后，再向反应体系中加入饱和溴水进行氧化 反应，反应完毕得到所述式I所示化合物；
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述式II中，R为碳原子总数为8的支链 烷基或碳原子总数为16的支链烷基。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于所述氢化钠、式II所示a-溴取代 并吡咯二酮-噻吩寡聚物、丙二腈化钠盐与饱和溴水的用量比为4. 63-5. 56mmol 0. 58-0. 61 mmol : 1. 39-1. 45mmol : 25_30mL,优选 4. 63mmol : 0. 58mmol : 1. 39mmol : 25mL。
6.根据权利要求3-5任一所述的方法，其特征在于所述亲核取代反应步骤中，温度为 90-110°C，优选100°C，时间为4-6小时，优选4. 5小时;所述氧化反应步骤中，温度为0-25°C，优选25°C，时间为2-3小时，优选2. 5小时。
7.根据权利要求3-6任一所述的方法，其特征在于所述亲核取代反应和氧化反应均在溶剂中和惰性气氛中进行；所述溶剂选自钠干燥的乙二醇乙二醚、四氢呋喃和N，N-二甲基甲酰胺中的至少一种，优选乙二醇乙二醚；所述惰性气氛为氮气气氛或氩气气氛。
8.由权利要求1或2所述化合物构成的有机场效应晶体管的半导体层。
9.一种η型有机场效应晶体管，由下至上依次由衬底、绝缘体层、半导体层和位于同一层的源电极层和漏电极层组成；所述源电极层和漏电极层之间不接触；其特征在于构成所述半导体层的材料为权利要求1或2所述化合物。
10.根据权利要求9所述的晶体管，其特征在于构成所述衬底的材料选自玻璃、陶瓷和娃片中的至少一种，优选娃片；构成所述绝缘体层的材料选自二氧化硅、正十八烷基三氯硅烷修饰的二氧化硅、三氧化二铝、聚乙烯吡咯烷酮和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种，优选二氧化硅；所述绝缘体层的厚度为300-500nm，优选500nm ；构成所述源电极层和漏电极层的材料均选自金、银和铝中的至少一种，优选金；所述源电极和漏电极层的厚度均为20-30nm,优选30nm ；所述半导体层的厚度为50-80nm,优选50nm。
全文摘要
本发明公开了一种并吡咯二酮-噻吩醌化合物及其制备方法与应用。该并吡咯二酮-噻吩醌化合物如式I所示。其制备方法包括如下步骤在四(三苯基磷)钯(0)(Pd(PPh3)4)的催化作用下，将氢化钠、式II所示α-溴取代并吡咯二酮-噻吩寡聚物与丙二腈化钠盐混匀进行亲核取代反应生成二负离子中间体后，再向反应体系中加入饱和溴水进行氧化反应，反应完毕得到所述式I所示化合物。该类化合物具有优良的场效应性能，其电子迁移率已经超过0.1cm2V-1s-1(基于实施例1中材料(a)由真空蒸镀法制备半导体层的场效应器件电子迁移率可以高达0.3cm2V-1s-1；基于实施例2中材料(b)由旋涂法制备半导体层的场效应器件电子迁移率可以高达0.35cm2V-1s-1)。其电流开关比达105，且在空气中性质稳定，具有重要的应用价值。
文档编号H01L51/30GK103044430SQ20111030646
公开日2013年4月17日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者乔雅丽, 张敬, 徐伟, 朱道本 申请人:中国科学院化学研究所