上海有機所在阻轉(zhuǎn)異構(gòu)類有機半導(dǎo)體材料與器件研究中取得進展
發(fā)布時間：2022-03-23 01:45
立體化學(xué)是從三維空間揭示分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、反應(yīng)行為及功能，手性分子和同分異構(gòu)體是立體化學(xué)的重要研究內(nèi)容。有機半導(dǎo)體材料是有機光電器件的活性成分，其化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)決定著其器件性能和功能應(yīng)用。目前，有機共軛小分子和聚合物側(cè)鏈（多為外消旋烷基）的長度和分支點對其半導(dǎo)體性能的影響研究較為廣泛，有一定的規(guī)律性認識。而立體化學(xué)中分子的手性（如中心手性、軸手性、螺旋手性）和構(gòu)象等對有機半導(dǎo)體材料性能的影響一直未了解清楚，是值得探索的科學(xué)問題。
中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所高希珂課題組致力于新型有機半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)創(chuàng)制及功能研究。在前期研究工作中，他們實現(xiàn)了中心手性和軸手性對n-型有機半導(dǎo)體聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和器件性能的調(diào)控（J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 2659.; Langmuir 2019, 35, 6188）。近日，他們將立體化學(xué)中“阻轉(zhuǎn)異構(gòu)”的概念應(yīng)用到有機半導(dǎo)體材料與器件中。研究成果發(fā)表在ACS Materials Lett. 2022, 4, 363-369上（highlighted by AZoMaterials as “Atropisomeric Conjugated Diimides in Semiconductors”），高希珂研究員和莫納什大學(xué)Christopher R. McNeill教授為共同通訊作者，上海有機所葛從伍副研究員和張文顯為共同第一作者。
圖1 阻轉(zhuǎn)異構(gòu)類有機半導(dǎo)體的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其熱刺激-響應(yīng)型OFET器件性能
“阻轉(zhuǎn)異構(gòu)”（atropisomerism）是由于空間位阻效應(yīng)使得化合物中化學(xué)鍵的自由旋轉(zhuǎn)受阻而引起的立體化學(xué)現(xiàn)象，所形成的可拆分的構(gòu)象異構(gòu)體稱為“阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體”（atropisomers），例如常見的鄰取代聯(lián)苯。阻轉(zhuǎn)異構(gòu)已廣泛應(yīng)用于藥物化學(xué)、超分子化學(xué)和有機化學(xué)等領(lǐng)域。高希珂課題組設(shè)計合成并分離得到了系列室溫構(gòu)象穩(wěn)定的共軛二酰亞胺類阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體（Syn-NDI, Anti-NDI, Syn-PDI和Anti-PDI，圖1），并將其作為有機半導(dǎo)體應(yīng)用于熱刺激-響應(yīng)型有機場效應(yīng)晶體管（OFET）器件。研究發(fā)現(xiàn)，在熱溶液中，這些阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體間均可快速相互轉(zhuǎn)化，而在固態(tài)加熱條件下，只有Syn-阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體能單向轉(zhuǎn)化為Anti-阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體，反之則不能。Anti-阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體的OFET器件性能受其薄膜熱退火溫度的影響較小，而Syn-阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體的OFET器件性能受其薄膜熱退火溫度的影響巨大，這源于熱作用下Syn-阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體向Anti-阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體的單向轉(zhuǎn)化。伴隨著Syn-NDI轉(zhuǎn)化為Anti-NDI，其OFET器件的電子遷移率提升了近100倍，而Syn-PDI轉(zhuǎn)化為Anti-PDI時，其OFET器件的電子遷移率提升了約5000倍。需要指出的是，熱作用下Syn-NDI和Syn-PDI在薄膜中分子構(gòu)象轉(zhuǎn)化的熱退火溫度明顯不同（圖1），這為新型溫度傳感器的研發(fā)提供了研究思路。
（文章來源：中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所）