本征光交联半导体小分子晶体（i-PSSCs）的图案化电子器件研究及其在仿生视觉系统中的应用

这篇综述创新性地设计合成了一类本征光交联半导体小分子晶体（i-PSSCs），通过将[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（BTBT）核心与二乙炔（DA）基团结合，实现了无需外部化学添加剂的微米级图案化晶体薄膜。该材料在紫外光照射下自交联后，分子堆积保持完整，有机薄膜晶体管（OTFTs）的场效应迁移率最高达0.46 cm2 V?1 s?1，图案化后仍保持0.25 cm2 V?1 s?1。其晶体管阵列对紫外图案的高灵敏度响应，为仿生视网膜图像描述提取提供了新策略。

　　

摘要

研究团队设计合成了本征光交联半导体小分子晶体（i-PSSCs），通过将高结晶性[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩（BTBT）核心与光交联二乙炔（DA）基团结合，实现了溶液加工晶体薄膜的紫外光诱导原位光聚合图案化。该技术无需外部交联剂，交联后分子堆积保持完整，有机薄膜晶体管（OTFTs）的原始与图案化薄膜场效应迁移率分别为0.46和0.25 cm² V^?1 s^?1。器件阵列对365 nm紫外图案的选择性响应，成功模拟了人类视网膜图像特征提取功能。

1 引言

有机半导体在柔性电子和传感器领域潜力巨大，但精确图案化始终是挑战。传统光刻技术会破坏有机材料，而溶液加工技术易受溶剂侵蚀。光交联策略通过引入二乙炔等基团，既能提升薄膜耐溶剂性，又能实现高精度图案化。相比聚合物体系，小分子半导体具有更优的分子均一性和结晶性，但需在交联过程中保持分子堆积以维持电荷传输性能。

2 结果与讨论

2.1 化合物合成

以BTBT为起始原料，通过傅克酰基化、还原、炔基化等五步反应合成目标分子6、7、8，热重分析显示其分解温度均超过430°C。

2.2 晶体堆积

单晶解析表明，含甲基末端的分子6中相邻DA基团间距仅3.79 ?，满足拓扑聚合反应条件；而分子8的DA间距达4.77 ?，无法交联。所有分子均呈现鱼骨状层状堆积，分子6的C-H???π（2.869 ?）和S-π（3.359 ?）相互作用有利于电荷传输。

2.3 光学与电化学性能

薄膜吸收光谱显示分子6在345 nm处出现显著红移，证实π-π堆积作用。电化学测试测得HOMO能级为-5.69 eV，LUMO为-2.06 eV。

2.4 i-PSSCs图案化

刮涂法制备的分子6薄膜经254 nm紫外光照射7分钟后，拉曼光谱在1512 cm^?1出现烯炔特征峰，XRD显示层间距从27.1 ?缩小至26.1 ?。GIWAXS和TEM证实交联后晶体取向保持不变，AFM显示图案边缘粗糙度仅65 nm。

2.5 电荷传输与应用

36个OTFT器件统计显示，图案化薄膜平均迁移率0.10 cm² V^?1 s^?1（最高0.25）。7×7像素阵列在365 nm紫外光下成功识别"H"形图案，开关比达10²，展现出仿生视觉应用潜力。

3 结论

该工作通过分子设计实现了兼具半导体性能和本征光图案化能力的i-PSSCs，为紫外选择性人工视觉系统提供了新材料平台。分子6的DA基团精准间距设计是保留电荷传输性能的关键。

4 实验方法

详细合成步骤、光谱数据及晶体学数据（CCDC 2415605-2415608）见支持信息。理论计算由国家超算郑州中心完成。