黄辉教授研究团队在基于“非成键构象锁”的高性能共轭材料研究取得新进展

  • 文/董涛 (材料科学与光电技术学院 )
  • 创建于 2017-07-16
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  载流子迁移率是有机半导体材料的重要属性,在有机半导体材料中,载流子的迁移主要是通过电荷在共轭分子间“跃迁”来实现。具有共平面构象的分子有利于电子的离域,同时能够有助于形成较紧密的分子堆积,有利于电荷的跃迁。为了提高共轭体系共平面性,避免单键相连的相邻芳香环的自由旋转,通常采用共价键将相邻的芳香环连接起来,形成稠环结构,禁阻相邻芳香环的自由旋转。然而,该方法通常需要较多的合成步骤,会大幅度增加材料的生产成本,不利于有机电子技术的发展。

  为了克服该方法的局限性,中国科学院大学博士生导师黄辉教授采用分子内非共价作用力来提高共轭材料的平面性和载流子迁移率,以最终提高相关光电器件的性能;并同美国西北大学Tobin J. Marks教授等一起将该分子内非共价作用力定义为“非成键构象锁”概念,(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 10966-10973; Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 2782-2793)。近年来,该概念得到了学术界的广泛认可,并逐渐成为设计高性能共轭半导体材料的重要策略之一。

  近期,黄辉教授领导的研究团队进一步发展了“非成键构象锁”概念,研究硫...氧“构象锁“引入对于太阳能电池性能的影响(Mater. Chem. Front., 2017, 7, 1317-1323),并首次将硒...氧“构象锁”应用于高性能共轭高分子材料的设计与合成中。研究结果表明,硒...氧之间形成了非成键作用力,并提高了共轭分子的平面性和刚性;基于该分子模块合成了一系列共轭高分子材料,并在太阳能电池和场效应管都展现了优异的性能。其中,太阳能电池的能量转换率达到5%,p-型和n-型场效应管迁移率分别达到1.5 cm2/Vs和0.6 cm2/Vs。该研究结果是“构象锁”概念的重要发展,相关研究结果在线发表于材料领域著名期刊Adv. Mater.(2017, DOI:10.1002/adma. 20160625)。该工作主要由国科大材料学院博士生董涛完成(第一作者),并同美国西北大学Antonio Facchetti教授和中科院化学所董焕丽教授开展了合作。

  基于在“非成键构象锁”概念的原创性贡献,黄辉教授近期应邀为著名综述杂志Chem. Rev.撰写题为“Organic and Polymeric Semiconductors Enhanced by Noncovalent Conformational Locks”的综述,较全面的阐述了“非成键构象锁”的理论基础、研究进展和未来展望,为该概念的进一步发展与应用奠定了基础,该综述近期在线发表于Chem. Rev. 2017, DOI: 10.1021/acs.chemrev. 7b00084。同时,因为研究工作被认为“对材料化学的未来发展方向具有潜在影响”(Your work has been recommended to me as having the potential to influence future directions in materials chemistry),黄辉教授应邀为J. Mater. Chem. A的Emerging Investigator专刊撰写综述“Recent Advances in Organic Ternary Solar Cells”。课题组的相关系列研究成果发表于Adv. Mater.(2017, 29, 201603154.)和Dyes Pigments(2017, 150, 141-149)。

  该工作得到了国家自然科学基金委(51301380和21574135),北京市自然科学基金(2162043)和中国科学院百人计划项目和中科院前沿局重点研发计划-青年拔尖科学家的资助。

责任编辑:于洋