化學所在新型pi-分子材料的設計及應用研究中取得系列進展

2020-12-25 中國科學院

化學所在新型pi-分子材料的設計及應用研究中取得系列進展

2016-12-27 化學研究所

【字體：大 中 小】

語音播報

　　發展新型有機pi-分子材料並應用於太陽能電池、場效應電晶體和發光二極體等領域是有機光電子學的重要研究內容。在中國科學院戰略性B類先導科技專項支持下，中科院化學研究所有機固體院重點實驗室朱曉張課題組研究人員發現具有醌式增強效應的噻吩[3,4-b]並噻吩(TbT)（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10357-10366）有可能在有機光電子學領域獲得廣泛應用。近年來，他們在TbT選擇性官能化基礎上發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），在場效應電晶體和太陽能電池等方面展現出良好的應用前景。

　　相比於p-型有機半導體材料，空氣穩定的n-型有機半導體材料的發展顯著滯後。醌式寡聚噻吩是一種典型的n-型半導體材料，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，這可能是由於其一維分子結構限制了pi-pi堆積。研究人員設計併合成了一類兩維pi-拓展醌式三噻吩2DQTT並取得了3.0 cm2 V-1 s-1的電子遷移率。在此基礎上，研究人員繼續對該分子體系的區域化學及烷基鏈對薄膜堆積的影響進行深入研究，發展了遷移率和開關比分別為5.2 cm2 V-1 s-1和106的2DQTT-o-B，是目前報導的溶液加工、空氣穩定n-型有機小分子薄膜電晶體的最高值，相關成果發表在Adv. Mater. 2016, 28, 8456-8462上。

　　在太陽能電池領域，研究人員基於D-A結構和醌式化兩種經典策略，提出通過「增強D-A體系醌式共振」設計構建有機光伏材料的新思路。通過引入醌式化TbT功能單元，設計了新型小分子給體材料STB-n（圖2a），該類材料具有與PCBM相匹配的電子結構，通過側鏈調控，小分子給體材料STB-3的光電轉化效率高達9.26%，證明了該思路對於小分子給體材料設計的可行性，相關成果發表在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，設計了一類非富勒烯受體新材料ATT-1（圖2b）。該材料在500-800 nm範圍內具有寬的光譜吸收，通過與廣泛應用的給體材料PTB7-Th匹配，光電轉化效率高達10.07%，相關成果發表在J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15523-15526上。該研究表明「增強D-A體系醌式共振」策略對於有機光伏給/受體材料設計具有重要的指導意義。

 

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 基於TbT的新型太陽能給體（a）和受體（b）材料

　　發展新型有機pi-分子材料並應用於太陽能電池、場效應電晶體和發光二極體等領域是有機光電子學的重要研究內容。在中國科學院戰略性B類先導科技專項支持下，中科院化學研究所有機固體院重點實驗室朱曉張課題組研究人員發現具有醌式增強效應的噻吩[3,4-b]並噻吩(TbT)（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10357-10366）有可能在有機光電子學領域獲得廣泛應用。近年來，他們在TbT選擇性官能化基礎上發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），在場效應電晶體和太陽能電池等方面展現出良好的應用前景。
　　相比於p-型有機半導體材料，空氣穩定的n-型有機半導體材料的發展顯著滯後。醌式寡聚噻吩是一種典型的n-型半導體材料，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，這可能是由於其一維分子結構限制了pi-pi堆積。研究人員設計併合成了一類兩維pi-拓展醌式三噻吩2DQTT並取得了3.0 cm2 V-1 s-1的電子遷移率。在此基礎上，研究人員繼續對該分子體系的區域化學及烷基鏈對薄膜堆積的影響進行深入研究，發展了遷移率和開關比分別為5.2 cm2 V-1 s-1和106的2DQTT-o-B，是目前報導的溶液加工、空氣穩定n-型有機小分子薄膜電晶體的最高值，相關成果發表在Adv. Mater. 2016, 28, 8456-8462上。
　　在太陽能電池領域，研究人員基於D-A結構和醌式化兩種經典策略，提出通過「增強D-A體系醌式共振」設計構建有機光伏材料的新思路。通過引入醌式化TbT功能單元，設計了新型小分子給體材料STB-n（圖2a），該類材料具有與PCBM相匹配的電子結構，通過側鏈調控，小分子給體材料STB-3的光電轉化效率高達9.26%，證明了該思路對於小分子給體材料設計的可行性，相關成果發表在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，設計了一類非富勒烯受體新材料ATT-1（圖2b）。該材料在500-800 nm範圍內具有寬的光譜吸收，通過與廣泛應用的給體材料PTB7-Th匹配，光電轉化效率高達10.07%，相關成果發表在J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15523-15526上。該研究表明「增強D-A體系醌式共振」策略對於有機光伏給/受體材料設計具有重要的指導意義。
 
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 基於TbT的新型太陽能給體（a）和受體（b）材料

列印 責任編輯：葉瑞優

相關焦點

  • 化學所在自修復彈性體材料研究方面取得新進展
    化學所在自修復彈性體材料研究方面取得新進展 2018-09-05 化學研究所 【字體：大　　在國家自然科學基金委的支持下，中國科學院化學研究所工程塑料重點實驗室研究員董俠等致力於智能材料的開發與應用，取得了系列進展（J. Polym. Sci. Part A: Poly.
  • 生物分子模擬應用研究取得系列進展
    近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員李國輝團隊與中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所合作，在生物分子模擬應用研究中取得新進展，以共同通訊作者形式在Nature 雜誌上發表全文(Article)。
  • 化學所在RNA表觀遺傳修飾的化學調控研究方面取得進展
    在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，中科院化學研究所分子識別與功能重點實驗室研究員程靚團隊長期從事該領域的基礎研究，發展了一系列針對重要RNA表觀遺傳修飾的高選擇、高靈敏、時空分辨的化學轉化、螢光標記的原理和方法。
  • 「功能pi-體系的分子工程」先導B專項系列報導--化學所在高效率有...
    相對於傳統的無機太陽能電池，新一代的有機太陽能電池（OPV）具有獨特的優勢和應用前景，提高其光電轉化效率是該領域的主要研究內容之一。近年來，得益於新型光伏材料的應用和器件製備技術的優化，OPV的效率得到了快速的發展，已經突破了15%。目前，限制OPV效率進一步提高的主要因素是其在光電轉化過程中存在較大的非輻射能量損耗。
  • 大連化物所等在生物分子模擬應用研究中取得進展
    大連化物所等在生物分子模擬應用研究中取得進展 2016-01-26 大連化學物理研究所 【字體近期，中國科學院大連化學物理研究所研究員李國輝與中山大學實驗合作者劉強團隊合作，作為共同第一作者在Nature Communications上發表生物分子模擬應用研究新進展。　　AURKA在細胞分化中非常關鍵，也在腫瘤發生和發展中扮演至關重要的角色。
  • 上海大學王子興博士課題組:在TADF材料方面取得系列研究進展
    (TADF)材料應用於OLED方面取得系列研究進展。b）DPDDC在最高佔據分子軌道（HOMO）和最低未佔分子軌道（LUMO）狀態下的分子軌道分散圖2 用於OLED的化合物的器件結構和化學結構熱活化延遲螢光（TADF）材料具有較小的單線態-三線態能級差，三線態激子可以通過反隙間穿越變成單線態激子而發光，如此可以充分利用電激發下形成的單/三線態激子能量，器件的內量子效率可以達到100%。同時，材料結構可以通過化學結構進行調控，性能穩定，無需昂貴的貴金屬，是繼有機螢光材料、有機磷光材料之後的第三代有機發光材料，在OLED、生物等領域應用前景廣闊。
  • 復旦大學在超分子組裝合成新型半導體納米線氣敏材料研究取得進展
    半導體納米材料與器件涉及化學、材料科學、微電子、信息科學以及生物醫學諸多學科，並在新能源、智能納米傳感器等領域具有廣泛應用前景。通過「自下而上」 （「bottom-up」）超分子組裝的軟化學合成途徑來靈活、可控、規模化創造半導體納米線及其組裝體是化學家和材料科學家共同的夢想。
  • 中國科大利用超冷原子分子量子模擬在化學物理研究中取得突破
    中國科學技術大學潘建偉、趙博等利用超冷原子分子量子模擬在化學物理研究中取得突破：他們通過對磁場的精確調控首次在實驗上觀測到超低溫度下基態分子與原子之間的散射共振，向基於超冷原子分子的超冷量子化學研究邁進了重要一步。1月18日，這一研究成果發表在國際學術期刊《科學》上。
  • 超冷原子分子量子模擬在化學物理研究中取得實質性突破
    記者從中國科學技術大學獲悉，中國科學技術大學潘建偉、趙博等利用超冷原子分子量子模擬在化學物理研究中取得重大突破：他們通過對磁場的精確調控首次在實驗上觀測到超低溫度下基態分子與原子之間的散射共振，向基於超冷原子分子的超冷量子化學研究邁進了重要一步。
  • 合肥研究院在多孔氧化鋁光子晶體研究中取得系列進展
    近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所在多孔氧化鋁光子晶體的研究中取得系列進展，具體表現在光與物質的相互作用及其光學性質研究方面，相關成果相繼發表在Journal of Materials Chemistry C，Scientific Reports，
  • 上海科技大學研究團隊在低介電常數材料研究中取得重要進展!
    上海科技大學物質科學與技術學院王宏達課題組與孫兆茹課題組開展實驗與理論協作，在低介電常數（low k）材料探索研究取得重要進展，研究成果以「Inorganic Low k Cage-molecular Crystals」為題，在國際知名學術期刊Nano Letters上在線發表。
  • 長春應化所在金屬C-H鍵活化機理研究方面取得進展
    從分子水平上研究金屬催活化C-H鍵的反應機理，有助於我們了解催化反應歷程，揭示催化劑結構與催化活性>的關係，進而為新型、高效催化劑的研發提供理論指導，具有重要的理論與實際意義。 　　在中科院長春應用化學研究所啟動經費、國家自然科學基金、教育部留學回國基金和吉林省創新基金等項目的支持下，長春應化所稀土資源利用國家重點實驗室孫忠明研究小組與美國北達科他州立大學趙品晶教授課題組合作，在Rh(I)催化的C-H鍵活化方面取得新進展，發現了一種
  • 合肥研究院固體所在高通量篩選二元硫族化合物熱電材料研究中取得...
    合肥研究院固體所在高通量篩選二元硫族化合物熱電材料研究中取得進展 2020-03-12 合肥物質科學研究院 該工作基於熱電理論方法的發展，通過高通量計算手段篩選出了具有高效熱電性能的二元硫族材料。　　尋找性能良好的新型熱電材料是促進熱電器件大規模商業應用的重要手段。在高通量研究材料的熱電性能中，需要高效計算材料的電學性質和聲學性質。但由於理論計算材料載流子弛豫時間和晶格熱導率的複雜與困難，先前的很多高通量研究工作均沒有充分考慮材料的電聲相互作用和非簡諧效應強度對其熱電性能的影響。
  • 「自然圖案化」的新型二維原子晶體材料及其功能化研究取得新進展
    石墨烯具有超高的載流子遷移率、超高的透光率、室溫下的量子霍爾效應等優良特性，在電子學、光學、磁學、催化、儲能和傳感器等領域有著巨大的應用前景，被稱為「未來材料」或「變革性材料」，引發了世界範圍內對新型二維晶體材料的探索和研究熱潮。
  • 科學家發表石墨烯和孔石墨烯材料的化學和應用前景研究進展綜述文章
    石墨烯是我國「十三五」重點發展新材料之一，被列為先進基礎材料、關鍵戰略材料和前沿新材料。由於石墨烯具有超薄二維結構和優異的力學、光學、電學等性質，據預測近期有可能在儲能、薄膜和塗層、複合材料等領域實現較大產業化進展。
  • 福建物構所鋰硫電池隔膜材料研究取得進展
    福建物構所鋰硫電池隔膜材料研究取得進展 2019-09-17 福建物質結構研究所 【字體：該電化學性能優於目前報導的大多數碳基正極材料，實現了鋰硫電池硫負載量、體積容量和面容量的同步提升，這對高能量密度鋰硫電池的設計構築具有重要意義。　　上述研究成果近期發表在《先進能源材料》上（Adv.
  • 從化學分子到固體材料的空間結構
    一般化學和生物學重點研究分子體系的合成、結構及其性質，而物理學則側重研究這些體系的光、熱、磁等的運動形式及其相互轉換，材料學則偏重研究這些物質的不同層次體系的製備、結構和應用。「材料」（materials）這個名詞在字典中可簡單地認為是有用的物質（substances）。
  • 中科院金屬所在電化學電容器儲能研究取得新進展
    然而電化學電容器相比於電池其能量密度較低，即單位體積內儲存的能量低，限制了其更廣泛的應用。近日，中國科學院金屬研究所與英國倫敦大學學院及香港大學合作，在《自然-能源》(Nature Energy) 在線發表題為「可調層間距、高效孔利用石墨烯薄膜的電化學電容儲能研究」論文，在提高電化學電容器體積能量密度方面取得新進展。
  • 上海矽酸鹽所在新型氟基固態電解質研究方面取得進展
    上海矽酸鹽所在新型氟基固態電解質研究方面取得進展 2020-03-16 上海矽酸鹽研究所 【固態鋰金屬電池由於能量密度和安全性的雙重潛在優勢，是下一代電化學儲能體系的研究熱點。作為關鍵組分的固態電解質的性能優劣很大程度上決定了固態電池能否成功運行。傳統的氧化物和硫化物固態電解質面臨著晶界電阻大、界面易鈍化、空氣中不穩定以及電化學窗口窄等問題，因此開發新型固態電解質的結構原型作為當前電解質體系的候選甚至替代者，具有迫切而重要的意義。
  • 中國科大在分子的量子糾纏研究中取得進展
    該研究成果以Quantum entanglement between an atom and a molecule 為題於5月20日在線發表在《自然》上[Nature 581, 273–277(2020)]。這項成果對於未來考慮使用分子進行量子信息處理有重要推動作用。　　目前有多種體系可用於探索實現量子傳感和量子信息處理。