曾澤兵課題組在氧原子精準嵌入的醌式并苯類光電功能材料領域取得重要進展(圖文)

2003网站太阳集团曾澤兵教授課題組在醌式并苯類光電分子材料領域取得重要進展：首次報道了氧原子嵌入型的線性并五苯和并九苯衍生物的簡易制備方法（圖1a）；以Zigzag邊緣的精準氧摻雜與對甲苯二醌單元調控多烯特征分子的穩定性及光電性質, 克服傳統并苯類分子前線軌道能級過高或摻雜引起的π電子共轭程度降低的缺點；系統地研究了該類型化合物的物理性質、電子結構以及器件應用。這一重要研究成果發表在化學和材料領域頂尖期刊《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc. 2019, DOI:10.1021/jacs.8b13884）上，期刊影響因子14.357。論文第一作者是博士生王燕培。

圖1. 氧嵌入醌式并苯的合成方法(a)及代表性化合物的紫外-可見光-近紅外吸收光譜圖（b）。

以并苯類衍生物為代表的多環共轭分子一直備受化學和材料科學領域關注，其獨特的物理性質使之在光電磁功能分子材料及其器件領域有着潛在的應用前景。然而大尺寸的并苯化合物在合成上具有很大的挑戰性，源于其本征的HOMO能級升高所導緻的穩定性差及大尺寸所導緻的溶解性差等。為此，課題組提出了氧嵌型并苯，通過連續醌式對二甲苯的并入，增強氧原子與π體系的電子交流，有效地加強分子的本征抗氧化性。氧嵌入醌式并苯類化合物采用傅-克反應一步法制備，它們具有确定的線性拓撲結構及其獨特的電子性質（圖1b），如1）随着鍊長的增長，芳香性六偶體的數目增加，有利于提高其穩定性；2）氧原子的孤對電子與π電子有效共轭離域，随着分子尺寸的增大，紫外-可見光-近紅外吸收呈現經典的紅移及窄能級帶隙（~1.5 eV）；3）摩爾消光系數（ε）随鍊長而增大，大尺寸的并九苯出現電荷轉移（~ 790 nm）的低能帶吸收。更有意思的是，它們的陽離子自由基，如(P₁-OMe)^•+[SbF₆]^-，(N₁-OMe)^•+[SbF₆]^-可用化學方法制備，并表現出較高的穩定性。其低能帶吸收峰分别紅移至1013 nm和1094 nm處，而并九苯的二價離子型化合物(N₁-OMe)²⁺則顯示出930 nm處的主峰吸收，所以在溶液中呈現出少見的淺色效果（圖2）。該研究通過實驗（核磁、吸收光譜、X射線單晶衍射等）手段和理論計算深入探讨了這些分子的獨特物理電子特征，并诠釋了該類型化合物可作為p型半導體傳輸材料，其離子型對載流子傳輸起着重要的作用。該研究進一步構建了氧雜醌式并五苯的有機場效應晶體管，其空穴遷移率在空氣中可達到1.52×10^-2 cm²V^-1s^-1。

圖2. (P₁-OMe)^•+[SbF₆]^-/(N₁-OMe)^•+[SbF₆]^- (a)和(N₁-OMe)²⁺ (b)的吸收光譜圖

該研究工作得到了2003网站太阳集团唐本忠院士工作站的團隊支持，以及新加坡國立大學的吳繼善教授、西安電子科技大學的常晶晶教授和2003网站太阳集团的胡袁源教授的幫助。工作同時受到國家自然科學基金和湖南省自然科學基金傑出青年基金等項目的資助。

原文鍊接如下：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b13884

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