化學(xué)所在新型pi-分子材料的設(shè)計及應(yīng)用研究中取得系列進展

　　發(fā)展新型有機pi-分子材料并應(yīng)用于太陽能電池、場效應(yīng)晶體管和發(fā)光二極管等領(lǐng)域是有機光電子學(xué)的重要研究內(nèi)容。在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性B類先導(dǎo)科技專項支持下，中科院化學(xué)研究所有機固體院重點實驗室朱曉張課題組研究人員發(fā)現(xiàn)具有醌式增強效應(yīng)的噻吩[3,4-b]并噻吩(TbT)（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10357-10366）有可能在有機光電子學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。近年來，他們在TbT選擇性官能化基礎(chǔ)上發(fā)展了一系列新型功能pi-分子材料（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11294-11302; J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16176-16184; J. Mater. Chem. A 2015, 3, 11194-11198），在場效應(yīng)晶體管和太陽能電池等方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

　　相比于p-型有機半導(dǎo)體材料，空氣穩(wěn)定的n-型有機半導(dǎo)體材料的發(fā)展顯著滯后。醌式寡聚噻吩是一種典型的n-型半導(dǎo)體材料，但在過去十多年研究中，其電子遷移率未能突破1.0 cm2 V-1 s-1，這可能是由于其一維分子結(jié)構(gòu)限制了pi-pi堆積。研究人員設(shè)計并合成了一類兩維pi-拓展醌式三噻吩2DQTT并取得了3.0 cm2 V-1 s-1的電子遷移率。在此基礎(chǔ)上，研究人員繼續(xù)對該分子體系的區(qū)域化學(xué)及烷基鏈對薄膜堆積的影響進行深入研究，發(fā)展了遷移率和開關(guān)比分別為5.2 cm2 V-1 s-1和106的2DQTT-o-B，是目前報道的溶液加工、空氣穩(wěn)定n-型有機小分子薄膜晶體管的最高值，相關(guān)成果發(fā)表在Adv. Mater. 2016, 28, 8456-8462上。

　　在太陽能電池領(lǐng)域，研究人員基于D-A結(jié)構(gòu)和醌式化兩種經(jīng)典策略，提出通過“增強D-A體系醌式共振”設(shè)計構(gòu)建有機光伏材料的新思路。通過引入醌式化TbT功能單元，設(shè)計了新型小分子給體材料STB-n（圖2a），該類材料具有與PCBM相匹配的電子結(jié)構(gòu)，通過側(cè)鏈調(diào)控，小分子給體材料STB-3的光電轉(zhuǎn)化效率高達9.26%，證明了該思路對于小分子給體材料設(shè)計的可行性，相關(guān)成果發(fā)表在J. Mater. Chem. A 2016, 4, 17354-17362上。與此同時，研究人員在小分子給體材料研究基礎(chǔ)上，通過在TbT和繞丹寧上引入拉電子基團，降低化合物LUMO能級，設(shè)計了一類非富勒烯受體新材料ATT-1（圖2b）。該材料在500-800 nm范圍內(nèi)具有寬的光譜吸收，通過與廣泛應(yīng)用的給體材料PTB7-Th匹配，光電轉(zhuǎn)化效率高達10.07%，相關(guān)成果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15523-15526上。該研究表明“增強D-A體系醌式共振”策略對于有機光伏給/受體材料設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

　　圖1 兩維pi-拓展的醌式三噻吩化合物及其電子遷移率

　　圖2 基于TbT的新型太陽能給體（a）和受體（b）材料