摘要
氮杂稠环芳烃化合物由于其独特的光电性能，已广泛应用于有机场效应晶体管、有机发光二极管和有机太阳能电池等领域。科研工作者对线型氮杂稠环芳烃分子进行了大量的研究，却忽视其异构体非线型氮杂稠环芳烃分子，而后者结构中存在两个Clar六隅体，因而表现出更加优异的稳定性。但是，在这一新兴领域有着诸多问题需要解决，例如分子不易合成、种类较少、应用范畴较窄以及构效关系不明确。所以本文紧密围绕非线型氮杂稠环芳烃分子的合成、光电性能与应用展开，合成了26种非线型氮杂稠环芳烃分子，获得12种产物的单晶结构，并实现了产物半导体属性由p型向n型的转变，最后又探究了氮杂稠环芳烃二聚体分子的三线态湮灭上转换效应。 为了获得p型非线型氮杂稠环芳烃，本文通过在线型氮杂稠环芳烃分子末端引入共轭五元环，合成了含有噻吩、亚砜和砜基取代的9种目标产物。通过对产物的光电性能数据的研究，验证了通过稠合长度与硫原子价态来调控分子前线轨道能级的方法。通过对产物的场效应晶体管研究发现，化合物3-17为p型半导体材料（μh=7.00×10-3cm2V-1s-1），3-19则是一种平衡性良好的双极性半导体材料（μh=9.24×10-3cm2V-1s-1,μe=8.60×10-3cm2V-1s-1），且分子的砜基化对器件的开关比有着显著的影响，3-19的开关比较3-17提高了两个数量级，一定程度上提高了器件的灵敏程度。 本文通过引入吸电子更强的羰基单元以获得双极性非线型氮杂稠环芳烃分子，并利用一步缩合反应合成了产物4-7至4-9。此外，还利用改变稠合单元的方法来调控分子轨道能级，将缺电子的噻二唑及富电子的噻吩基团引入分子骨架中，合成了4-10和4-11。所有产物4-7至4-11的单晶结构都呈滑移堆积，不同之处在于有无π-π相互作用及其作用的强弱。茚酮单元的引入，有效地降低分子的前线轨道能量，导致产物的半导体属性由p型向双极性过渡，其中4-9（μh=2.77×10-4cm2V-1s-1,μe=2.81×10-4cm2V-1s-1）和4-10（μh=0.69×10-4cm2V-1s-1,μe=1.45×10-4cm2V-1s-1）均表现出平衡的双极性有机半导体特性。 为了获得能级更低的n型非线型氮杂稠环芳烃，本文在非线型分子骨架中引入多氮原子合成了分子5-1和5-3，两个目标分子都具有较低的LUMO能级（-3.7eV,-4.1eV），避免了空气中水、氧气的影响，进而增加了材料的稳定性。通过对产物的吸收光谱、荧光光谱的研究，发现并证实了目标分子是一种平面型给体-受体-给体结构的分子，存在着强烈的分子内电荷转移过程。通过空间限制电荷法对产物的半导体属性进行了研究，产物5-1和5-3均为n型半导体材料，电子迁移率分别为7.40×10-5cm2V-1s-1和1.11×10-4cm2V-1s-1，引入砜基使得载流子迁移率提高了一个数量级。 本文最后又对非线型氮杂稠环芳烃二聚体分子的上转换效应进行了探究，实现了以有机物IR806为敏化剂，808nm激光激发下的三线态湮灭上转换过程。其中，化合物6-10(1.4%)、6-11(1.9%)和6-12(3.6%)展现出出色的上转换效率，且化合物6-12上转换体系具有较高的稳定性，在空气中放置7天后，上转换荧光强度依然可以保持89%。
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