中国科学院大学百人学者黄辉课题组Chem. Rev.:基于“非共价构象锁”的高性能共轭材料

黄辉课题组Chem. Rev.:基于“非共价构象锁”的高性能共轭材料

  • 黄莉莉
  • 发布于 2018-01-11
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中国科学院大学黄辉课题组Chem. Rev.:基于“非共价构象锁”的高性能共轭材料

2017-11-05XMOL资讯

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载流子迁移率是有机半导体材料的重要性能参数,载流子在有机半导体材料中的迁移主要通过电荷在共轭分子间的跃迁来实现。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。为了提高共轭体系的共平面性,避免单键相连的相邻芳香环自由旋转,同时通过共价键将相邻的芳香环用CSi或者N原子连接起来,形成具有较高刚性、较好平面性的稠环结构成为制备有机半导体材料的关键。但该方法通常在合成中具有较大的难度,同时会增加材料的成本,不利于有机半导体的发展。

为了克服该方法的局限性,2012年,中国科学院大学黄辉教授通过过渡金属催化的烯烃复分解反应,设计合成了具有氧-硫非成键作用结构的噻吩乙烯模块,通过非成键作用力阻止单键的旋转,从而提高共轭分子的共平面性;相对于成键作用力,非成键作用力的引入可以避免复杂的合成路线。该方法提高了共轭材料的共平面性和载流子迁移率,从而使相关光电器件的性能得到大幅度提升;黄辉教授与美国西北大学Tobin Marks教授等合作将这种分子内非共价键作用力定义为非成键构象锁J. Am. Chem. Soc.2012134, 10966; Adv. Funct. Mater.201424, 2782)。近年来,这一概念得到学术界的广泛认可,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的概念,研究了S•••OSe•••OS•••N构象锁的引入对光电性能的影响(Mater. Chem. Front.,20177, 1317; J. Mater. Chem. A2017, DOI: 10.1039/c7ta05774a; Adv. Mater.,2017, DOI: 10.1002/adma.20160625)。研究结果表明,S•••OSe•••OS•••N构象锁的引入提高了共轭分子的平面性和刚性,从而降低重组能,并提高材料的迁移率,最终在场效应管和太阳能电池中都表现出优异的性能。

基于在非成键构象锁概念的原创性贡献以及多项开拓性工作,黄辉教授作为第一作者与通讯作者,与Tobin Marks教授、Antonio Facchetti教授应邀共同为著名综述期刊Chemical Reviews撰写题为Organic and Polymeric Semiconductors Enhanced by Noncovalent Conformational Locks 的综述,较全面地阐述了非成键构象锁的理论基础、研究进展和未来展望,为这一概念的进一步发展与应用奠定了基础。该综述较为全面地总结了S•••OS•••X(X = F, Br, etc.)S•••NN•••HO•••H等非成键构象锁在高性能有机小分子/高分子材料中的广泛应用,并为设计和构建新型构象锁材料提供了理论基础和设计思路。

该工作得到国家自然科学基金委(5130138021574135)、北京市自然科学基金(2162043)和中国科学院百人计划项目、中科院前沿局重点研发计划-青年拔尖科学家的资助。

该论文作者为:Hui Huang, Lei Yang, Antonio Facchetti and Tobin J. Marks

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Organic and Polymeric Semiconductors Enhanced by Noncovalent Conformational Locks

Chem. Rev., 2017117, 10291, DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00084

黄辉教授简介

黄辉,博士、教授/博士生导师,中科院百人计划学者,中国科学院大学校学术委员会委员;2000年本科毕业于北京师范大学,2003年获得中科院化学研究所硕士学位,2008年博士毕业于美国达特茅斯学院,随后进入美国西北大学跟随Tobin J. Marks教授从事博士后研究,2010年加入美国康菲石油公司全球研发中心从事有机太阳能电池的研发工作;2013年加入中国科学院大学,目前任InfoMat杂志编委。

黄辉教授主要从事金属有机催化和功能高分子的合成与应用基础研究,在光电、光热和传感等方向开展了广泛的研究,在Nat. Chem.J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater. 等顶尖学术杂志发表50余篇SCI学术论文,受邀为Chem. Rev.J. Mater. Chem. A.China Science 等期刊撰写综述论文多篇,共轭材料领域研究成果申请发明专利18项,作为主编出版Organic and Hybrid Solar Cells 一书(Springer出版社,2014年);现承担多项国家自然科学基金和省部级基金,2017年遴选为J. Mater. Chem. A杂志Emerging Investigator,并入选中科院青年拔尖人才。