[发明专利]一类醌式化合物及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一类醌式化合物及其制备方法和应用。该类分子结构如下，该结构容易修饰，并且具有分子骨架平面性好、自组装能力强、最高未占据轨道(LUMO)能级低、带隙窄、对水氧不敏感的特点，作为有机半导体材料能够极大的提高空穴和电子的传输能力，从而最为n型(传输电子)材料和双极材料(既可传输空穴又可以传输电子)应用于有机场效应晶体管、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机热电和有机发光等器件中；

技术领域

本发明涉及一类新型醌式化合物及它们的制备和应用，属于有机功能材料领域和有机电子学领域。特别涉及以茚满二酮及其衍生物为端基的醌式化合物。

背景技术

有机场效应晶体管由于具有加简便、成本本、可大面积柔性制备易于集成等特点，可应用于电子纸、电子标签、有源矩阵驱动、传感器，被认为拥有巨大的市场潜力。有机场效应晶体管的核心组成部分是有机半导体材料。按照载流子的传输类型，半导体材料可分为p型材料(空穴传输)、n型材料(电子传输)和双极材料(既可传输电子又可传输空穴)。就目前的研究而言，p型材料的研究较大、发展较快，一些材料的迁移率已经超过的10cm²/V·s。相比而言，n型材料和双极材料的发展较为缓慢，迁移率低，且空气稳定性差。鉴于双极材料和n型材料在有机逻辑互补电路中的应用，发展双极材料和n型材料成为当前的研究重点。

相比传统的无机硅太阳能电池，有机太阳能电池具有成本低、质量轻、可大面积制备和可制备柔性器件等优势而备受关注。早期发展的有机太阳能电池器件大多是基于富勒烯PCBM为受体材料。然而PCBM的吸收光谱窄、能级难调节，导致性能难以进一步的提升。因此人们正在大力开发非富勒烯受体材料，并将其应用于太阳能电池器件中。对于非富勒烯受体而言，一个关键参数是具有高的电子迁移率。

此外，通过对有机材料的物理或化学掺杂，有机共轭分子还可以应用到导电材料和导热材料中。但是这些材料研究的核心都是有机共轭分子的载流子传输问题，因此如何有效的提高有机共轭分子的载流子迁移率，尤其是电子迁移率，成为了这类材料能否应用的一个重要问题。

具有醌式结构的化合物通常具有平面性好、最高未占据轨道(LUMO)能级低、分子间相互作用力强的特点，是一类重要的电子传输材料，目前文献上已经有很多基于醌式结构的双极传输和n型传输材料报道。但是这些结构合成复杂，需要用到价格昂贵的钯催化剂。此外，这些结构大多是以双氰基为端基，难以修饰，从而难以通过端基的调节来调控材料的光物理性质和载流子传输性能。因此，本发明人考虑，提供一种简单高效的方法合成一类端基容易调节的醌式化合物，并将其应用到光电器件中。

发明内容

本发明提供一类醌式化合物及其制备方法和应用。这类分子具有平面性好、LUMO能级低、分子间相互作用力强的特点，可以极大的提高材料的电子迁移率，使的这类分子可以应用于n型传输材料和双极传输材料。此外，这类分子的端基容易调节，通过端基的调节来调控材料的光物理性质和载流子传输性能。由于有机电子学中电子迁移率的重要地位，这类新型的醌式分子可以应用到有机场效应晶体管、有机太阳能电池器件、有机发光器件和钙钛矿太阳能电池器件中。此外，通过掺杂，该类分子还可以应用于有机导体材料和有机热电材料中。

本发明第一个方面提供如下式(I)的一类醌式结构的化合物：

其中R₁和R₂相同或不同，为烷基、卤素取代烷基、芳基取代烷基、烯基、炔基、寡聚醚链、硅链或硅氧链；X₁、X₂、X₃和X₄相同或不同，为氢、苯基、萘基、各种杂环芳基或各种取代基，包括卤素、氰基、硝基、氨基、甲酰基、硼酸基、硼酯基、锡基以及不同链长的烷基、卤素取代烷基、烷氧基、烯基、酯基、羰基。