Benzotiyeno[3,2-B][1]Benzotiyofen (BTBT) Tabanlı, Yüksek Performanslı N-Tipi/Ambipolar Yarı-İletkenlerin Geliştirilmesi Ve Yüksek Hızda Alan-Etkili Transistör (OFET) Uygulamaları

Abstract

Bu projede, daha önce literatürde bulunmayan, özgün kimyasal yapılara sahip 6 farklı düşük LUMO’lu BTBT-tabanlı yarı-iletken moleküler malzeme quantum mekaniksel hesaplamalarla teorik olarak tasarlanmış ve sentezlenmiştir. Bu yeni yarı-iletkenlerin saflaştırma sonrası detaylı bir şekilde yapısal, fizikokimyasal ve optoelektronik karakterizasyonları yapılıp organik alan-etkili transistör uygulamaları çalışılmıştır. Bunun sonucunda, dünyada ilk defa n-tipi olarak çalışabilen ve oldukça yüksek yarı-iletkenlik performansı gösteren (μe = 0.6 cm2 /V·s; Ion/Ioff = 107 -108 ) BTBT yarı-iletken molekülü, D(PhFCO)-BTBT, perflorofenilkarbonil grupları ile geliştirilmiştir. Geliştirilen D(PhFCO)-BTBT molekülü, son yılların en önemli π-sistemlerinden birisi olan BTBT yapısının elektron iletimi yapabileceğini literatürde ilk defa göstermesinin yanında, sahip olduğu yüksek elektron akışkanlığı ile literatürdeki sayılı n-tipi yarı-iletken moleküllerden birisi olarak kayda geçmiştir. Alkildisiyanovinilen ile fonksiyonelleştirilmiş D(C7CC(CN)2)-BTBT ise literatürde geliştirilmiş ilk solüsyondan proses edilebilir n-tipi BTBT (μe = 0.001 cm2 /V·s, Ion/Ioff = 104 ) yarı-iletken molekülü olmuştur. Karbonil ve disiyanovinilen fonksiyonelleştirmelerinin BTBT yapısındaki LUMO ve molekül-içi düzlemsellik etkisinin daha önceki π-sistemlerinden oldukça farklı olduğu bulgusuna ulaşılmıştır. Geliştirilen moleküler yarı-iletkenlerin moleküler dizilim/morfolojik/mikro-nanoyapı özellikleri dikkatlice incelendiğinde fonksiyonel grupların ve sübstitüyenlerin yarı-iletkenlik üzerindeki etkisi ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca, bu projede geliştirilen farklı π-sistemlere sahip yarı-iletken kütüphanesinin detaylı incelemesi sonucunda “kimyasal yapı-optoelektronik özellikler-aygıt performansı” ilişkileri detaylı olarak çalışılmış, elektron-iletim özelliği olan yeni BTBT malzemelerinin geliştirilmeye devam edilmesi için ileriki çalışmalara ışık tutacak önemli bulgulara erişilmiştir.

In this project, six novel BTBT-based semiconducting molecules with low LUMO energetics have been designed by using quantum mechanical calculations and synthesized via conventional synthetic chemistry. The structural, physicochemical, and optoelectronic properties of these new semiconductors have been characterized in depth and they have been studied in organic field-effect transistor (OFET) applications. The most important outcome of this project is that the first n-type BTBT semiconducting molecule (D(PhFCO)- BTBT) in the literature has been developed with a very high transistor performance (μe = 0.6 cm2 /V‧s, Ion/Ioff = 107 -108 ). This molecule containing perfluorophenylcarbonyl end-groups demonstrates for the first time that the BTBT scaffold, as one of the most important πsystems of the past decade, could effectively transport electrons in optoelectronic devices. D(PhFCO)-BTBT is also one of the few n-type semiconducting molecules in the literature with an electron mobility of μe ˃ 0.5 cm2 /V. Alkyldicyanovinylene functionalized D(C7CC(CN)2)- BTBT has also been demonstrated as the first solution-processed molecular n-channel BTBT (μe = 0.001 cm2 /V‧s, Ion/Ioff = 104 ) semiconductor in the literature. Carbonyl and dicyanovinylene functionalization on BTBT π-core has been found to have interesting effects on the LUMO and intramolecular co-planarity, which is very different than the previously developed π-systems. When the molecular packing/morphology/micro-nanostructure properties of these new semiconductors have been investigated in detail, the effects of functional groups and substitutions on their semiconducting characteristics are revealed. In addition, as a result of the detailed investigation of the BTBT molecular library developed in this project, “chemical structure-optoelectronic properties-device performance” relationships have been elucidated, which could shed light on further studies for electron transporting BTBT based semiconductors.