北京大学深圳研究生院新材料学院孟鸿教授课题组设计合成了基于异苯并噻吩类的酰亚胺类n-型半导体材料，该化合物表现出了较为优异的n-型半导体性能，并显示出了较强的荧光。
有机场效应晶体管（OFET）由于具有可溶液加工、柔性可折叠、大面积制备等优点，在柔性显示、可穿戴设备、电子皮肤和生物医用等领域内有着广阔的应用前景。与p-型有机场效应晶体管相比，n-型场效应晶体管在迁移率和空气稳定性方面都有着较大的差距，并且目前具有高迁移率的有机发光材料也大都是p-型半导体，关于n-型的有机半导体发光材料报道还比较少。在n-型有机半导体中，由于载流子为电子，在传输过程中会与空气中的水、氧气反应，极大程度上制约了n-型有机半导体的迁移率和稳定性。p/n型有机半导体的不均衡发展严重地限制了有机场效应晶体管的实际应用。因此，发展新型高迁移率、高稳定性的n-型有机半导体材料，使之应用于相应的有机场效应晶体管是一个亟需解决的问题。在现有的n-型有机半导体材料中，萘酰亚胺（NDI）类化合物是一类研究比较广泛的材料（图1），四个羰基可以有效地降低LUMO能级，提高材料的空气稳定性，同时也可以降低有源层与金属电极之间的电子注入能垒。目前，对于NDI的研究主要集中在三个方面：N原子上进行取代，可以改变分子堆积；萘上进行吸电子基团取代，可以有效调控能级；延长π共轭体系，既能增大分子间π-π相互作用，又能起到调控能级的作用。通过这些修饰，衍生了一系列空气稳定的、高迁移率的n-半导体。
如图1所示，在已报道的材料中，大都围绕着NDI母核进行修饰。近日，孟鸿教授团队直接对NDI母核进行了取代，利用一种非经典噻吩——异苯并噻吩(Isothianaphthene)来取代苯环，设计合成出了一种新型的n-型酰亚胺化合物BTDI-C6。与NDI-C6相比，BTDI-C6具有更低的LUMO能级(-4.21eV)，这也与计算结果相符合，预示着基于BTDI-C6的OFET器件拥有着更好的空气稳定性。作者以BTDI-C6和NDI-C6为活性层制备了BGTC型的OFET器件，两种器件在N2氛围测试条件下显示出了较为相似的迁移率，但是BTDI-C6器件具有更低的阈值电压(7.5V)，而NDI-C6的阈值电压为34V，这是由于BTDI-C6的LUMO能级与金电极功函数更加相近，电子注入势垒更小导致的。将两种器件置于空气中进行测试时，NDI-C6的OFET器件在空气中不工作，而基于BTDI-C6的器件在空气中可以稳定工作，甚至在空气中放置一周以后再进行测试，其迁移率仍能维持在相同的量级，显示出了较为优异的空气稳定性。更为重要的是，BTDI-C6材料在溶液中显示出比较强的荧光，表明其在发光器件中也有一定的应用（图2）。这些结果显示出BTDI系列衍生物在有机光电领域内有着广泛的应用前景。
图 2 (a) BTDI-C6和NDI-C6化合物结构。(b) BTDI-C6和NDI-C6在DCM中的荧光。(c) BTDI-C6 和NDI-C6在空气中测试的Id-Vg曲线。
该成果以“Isothianaphthene bisimide: an air-stable n-type semiconductor”为题，最新在线发表于Science China Chemistry。该论文第一作者为北京大学博士生陈小龙，通讯作者为北京大学深圳研究生院新材料学院孟鸿教授。