萘二酰亚胺(NDI)是一类基于萘四羧酸二酐(Naphthalene Tetracarboxylic Dianhydride, NTCDA)结构的化合物,通常通过酐环开环反应与胺类物质缩合而成。NDI及其衍生物因其独特的平面共轭结构、优异的电子受体能力以及高度的化学稳定性,在有机光电子学领域被广泛研究。尤其在有机电化学晶体管(OECT)中,NDI基材料因其出色的n型电导性能和离子渗透特性,成为构建高性能n型OECT的核心材料。
NDI的核心结构由一个萘环(naphthalene)与两个酰亚胺基团(Imide)组成。具体来说,NDI的通式为C12H6(C2O2NR)2,其中R为取代基。NDI的分子骨架非常平面(Planar),这种结构有利于π-π堆积,从而提升电子迁移率。酰亚胺位上的R基团(如烷氧基、芳基等)可以调节NDI的溶解性、能级和晶体堆积方式。
NDI是一类经典的强电子受体(Electron Acceptor)。NDI的最低未占据分子轨道(LUMO)能级较低,典型值约为-4.0 eV左右。这使得它能够有效捕获电子,形成负电荷载体(N-Type)。NDI具有明确的可逆还原峰(Reduction Peak),在电化学测定中表现出良好的电化学活性。研究表明,不同取代基的NDI衍生物的还原电位范围通常在-0.8 V到-1.5 V(相对于Fc/Fc+)之间。
NDI分子两端的取代基位置(Imide Position)和萘环两侧的取代位(Bay Position)都是功能化的热点。通过在这些位置引入不同的侧链或共轭基团,可以制备出多种功能化的NDI共轭聚合物(如聚NDI-gT2、NDI-gTVT等)。
在OECT中,NDI基材料通常作为n型半导体材料(N-Type Material)使用。NDI材料的电子亲和力强,容易接受电子。当负电压施加在栅极时,NDI基材料会发生n型掺杂(Reduction),导致沟道电导率大幅提升,提供高的电流放大倍数(Transconductance)。NDI基聚合物的骨架通常设计有较高的离子渗透性(Ion Permeability),这有利于离子在沟道层内部快速迁移,从而提高器件的响应速度。在构建互补逻辑电路(Complementary Logic Circuit)时,NDI基的n型材料可以与p型材料(如PEDOT:PSS)完美配合,实现高效的信号传输。