高導電性和高量子效率NDI聚集誘導發光材料

重慶大學譚陸西副教授課題組與北京化工大學顧星桂教授課題組合作，將傳統高電子遷移率的半導體分子萘四醯二亞胺（NDI）與聚集誘導發光（AIE）模塊三苯乙烯結合，設計製備了一個兼具高載流子遷移率及強近紅外固體發光的雙極性有機半導體材料，其在生物成像中展現出了良好的穿透性。該研究為設計兼具高導電性及高螢光量子效率的材料提供了重要參考。

兼具高導電性和強聚集態發射特性的有機半導體材料是有機光電子器件集成化的基礎，也是製備有機發光電晶體（OLET）和有機半導體雷射器的理想材料。然而，因高遷移率共軛分子易產生聚集淬滅效應（ACQ）而導致材料的螢光減弱或淬滅，致使目前此類材料很稀少。

具有聚集誘導效應（AIE）的材料在聚集態可展現強烈的光致發光特性。目前，已有少量利用AIE的分子結構設計策略來獲得兼具聚集態發光及p型載流子傳輸特性材料的報導。然而， n型及雙極性型材料仍很少見，且所得材料的電子遷移率極低。因此，兼具高電子遷移率和強聚集態發射的n型及雙極性有機半導體材料仍亟待開發。

萘四醯二亞胺（NDI）分子因具有良好的共軛平面性及吸電子能力，已被廣泛應用於n型場效應電晶體中，且其聚集態仍具有一定的螢光特性，是設計兼具高電荷傳輸能力和高固態發光材料的潛在候選分子。本文中，作者以NDI為核心、三苯乙烯為AIE模塊、雙鍵為連接基團，設計合成了一類TEN分子（如圖所示），並對其結構-性能關係、光電特性及生物成像性能進行了探討。

通過對TEN的單晶結構分析，作者發現分子內部及分子間存在C-H…O氫鍵，可誘導特殊的一維堆積結構。該結構中NDI核心呈現傾斜堆積，形成了J-聚集結構，但其π-π相互作用仍較強，其間距僅為3.42 Å。作者認為，此一維堆積將有利於載流子在分子間躍遷，同時保持很高的固體發光效率。光物理性能測試表明，TEN具有很強的近紅外螢光發射，固體的螢光發射峰位於700 nm，光致發光效率在60%以上。TEN還展現了出典型的AIE特徵，在極性較大的不良溶劑體系（例如甲醇）中，其螢光限制了分子內運動（RIM）機制。基於TEN的頂柵底接觸場效應電晶體器件則展現出優秀的雙極性性能，其空穴遷移率達0.13 cm2 V-1s-1，電子遷移率達到0.01 cm2 V-1 s-1。AFM和XRD檢測也證實，退火後的TEN薄膜中具有一維長程有序的π-π堆積結構，該結構對於促進載流子傳輸的同時保持固體螢光發射效率至關重要。此外，作者還研究了TEN在生物活體成像方面的應用。通過納米共沉澱法製備的TEN納米顆粒（TEN NPs）經MTT法測試，發現其具有良好的生物相容性；在4T1細胞成像及小鼠淋巴成像實驗中，展現出高對比度及穿透性能，且可很好地避免生物體自發螢光幹擾，具有良好的生物成像能力。

該成果最近在線發表於Sci. China Chem.。郭德和李林博士為文章共同第一作者，顧星桂教授和譚陸西副教授為通訊作者。

來源：中國科學化學

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https://rd.springer.com/article/10.1007/s11426-020-9776-8