控制有機(jī)共軛體系的超分子結(jié)構(gòu)對(duì)于有機(jī)晶體管和有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能有著決定性的影響,但他們的精確組裝仍然是一個(gè)未解決的挑戰(zhàn)。鹵鍵、氫鍵等在近年來(lái)作為超分子方法在共軛領(lǐng)域收到了很大的關(guān)注,然而它們普遍缺乏方向性,也同時(shí)忽略了可能的對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響。

近日,加拿大麥吉爾大學(xué)Dmitrii Perepichka教授研究組的00后博士生劉承昊作為第一作者報(bào)道了一種既可以精確控制共軛系統(tǒng)的超分子結(jié)構(gòu)、又可以顯著而可控地改變供體-受體的電子結(jié)構(gòu)的方法。該工作以標(biāo)題” Extraordinary Enhancement of π‐Electron Donor/Acceptor Ability by DD/AA Complementary Hydrogen Bonding” 發(fā)表在在頂級(jí)化學(xué)期刊Angewandte?Chemie上。

用氫鍵來(lái)控制共軛分子的電子和超分子結(jié)構(gòu)

 

利用DD/AA雙點(diǎn)的互補(bǔ)氫鍵,作者導(dǎo)向性地組裝了一系列吲哚并咔唑和鄰苯醌的共軛共晶。氫鍵的極化作用成功誘導(dǎo)了這些弱供體-受體成為強(qiáng)供體-受體,使得帶隙能級(jí)最高降低了1.5 eV(實(shí)驗(yàn)帶隙能級(jí)為1.59-0.65 eV)。

用氫鍵來(lái)控制共軛分子的電子和超分子結(jié)構(gòu)
圖1。(a)B3LYP/6-31G(d) 的軌道能量計(jì)算結(jié)果。供體(吲哚并咔唑)最高占據(jù)分子軌道(HOMO)和受體(鄰苯醌)最低未占用分子軌道(LUMO)為黑色,HOMO和HOMO的改變用藍(lán)色標(biāo)注,LUMO和LUMO的改變用紅色標(biāo)注。結(jié)合能在圖下方標(biāo)注。(b)電子結(jié)構(gòu)的改變的原理示意圖。
用氫鍵來(lái)控制共軛分子的電子和超分子結(jié)構(gòu)
圖2。X光衍射所得共晶結(jié)構(gòu)分析,包括共晶正面與側(cè)面圖,π-堆積結(jié)構(gòu)(藍(lán)色為供體,紅色為受體)和相對(duì)應(yīng)的超低面間距(d∥)?。

這種可控的電子結(jié)構(gòu)改變直接反映在所制備的半導(dǎo)體性能上——電荷遷移速度得到數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的提升,并可分別調(diào)控成為p型、雙極型、本征半導(dǎo)體。

用氫鍵來(lái)控制共軛分子的電子和超分子結(jié)構(gòu)
圖3。IC-AceNap(a, p-型), IC-Diaza (b, 本征), IC-PyT(c, 雙極型) 有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管數(shù)據(jù)。

作者還進(jìn)行了一系列電化學(xué),振動(dòng)光譜和電子光譜,電子自旋共振(ESR),光晶體管研究,闡明了這一新型電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合體的結(jié)構(gòu)特性關(guān)系。這一工作有望在(本征)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和太陽(yáng)能電池的形態(tài)與電子結(jié)構(gòu)調(diào)控上發(fā)揮重要作用。

本文由第一作者劉承昊在本科(2016級(jí)本科)所設(shè)計(jì)的畢業(yè)課題,其開展了除晶體管外的設(shè)計(jì)、合成、組裝、表征工作。

全文鏈接:

https://onlinelibrary_wiley.gg363.site/doi/abs/10.1002/ange.201910288

相關(guān)新聞

微信
微信
電話 QQ
返回頂部