北京化工大学甄永刚教授团队：有机半导体材料聚集态结构调控构建高性能多功能光电器件

近日，北京化工大学甄永刚教授团队的AMR述评文章“Rational Control of Packing Arrangements in Organic Semiconducting Materials toward High-Performance Optoelectronics”在线发表。文章系统性讨论了如何通过分子设计、晶相控制、化学掺杂、共晶工程等策略调节有机半导体材料的聚集态结构，进而构建高性能和多功能的光电器件，并总结了该领域仍然面临的一些挑战和问题。

关键词：有机半导体，堆积结构，分子设计，晶体工程

1 文章内容简介

有机半导体材料因其结构多样性、重量轻、柔性以及可大面积制造而引起了人们的极大兴趣，为下一代电子设备的发展开辟了可能性。有机半导体材料的堆积结构决定了其电子耦合作用、能带结构和激子行为，进一步显著影响其光电性能。鱼骨状堆积、一维滑移堆积、砌砖堆积是三种最为常见的堆积方式。分子结构的空间位阻因素和各个相互作用力的贡献权重主导了有机半导体材料堆积结构的形成，而这与晶体成核和生长过程密切相关，涉及到诸多变量，具有不可预测性和不可控制性。因此，精确调控堆积结构以期获得高性能或多功能有机半导体材料仍然是一个长期性挑战。

本篇述评总结了近年来我们研究团队在有机半导体材料的堆积结构调控方面的进展，有助于阐明聚集态结构-光电性能的关系规律。首先，我们讨论了有机半导体材料共轭骨架的功能化，以提高碳/氢(C/H)比，构建了更密集的鱼骨状堆积或滑移堆积结构，表现出优异的载流子迁移率。接下来，我们介绍了基于相同分子结构的不同堆积方式调控，即晶相控制。发现硫杂并苯C6-DBTDT特定晶相的HOMO与HOMO-1轨道之间存在很小的能隙，因此(HOMO-1)轨道之间的电子耦合作用对电荷输运具有显著的影响。最后，我们论证了第二组分在有机半导体材料的堆积结构调控中的作用。通过非化学计量比的分子掺杂，我们将传统的鱼骨状堆积改变为面对面柱状堆积，制备一维有机纳米材料，展现出酸响应的高电导率。通过化学计量比共晶工程，我们获得了具有不同堆积方式或比例的卤键或氢键共晶材料。在分列柱堆积卤键共晶材料中，较强的分子间作用产生更高的辐射衰减选择性，从而增强了放大自发发射特性。在不等比例2:1的氢键共晶材料中，鱼骨状堆积结构得到了优化，不仅表现出更强的电子耦合，而且分子间的距离更长，载流子迁移率相对于单组分材料提高了四个数量级。我们相信有机材料聚集态结构的理性调控将为高性能光电材料与器件的发展提供重要的契机。

2 AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

有机半导体聚集态调控是一个挑战性课题，其堆积结构与光电性能之间的关系规律尚不明确，阻碍了高性能有机光电材料与器件的发展。因此，我们希望通过分子设计、晶相调控、化学掺杂及共晶工程等策略，调控有机半导体材料聚集态结构，进一步总结分子结构-堆积结构-光电性能之间关系规律，发展高性能和多功能的有机光电材料与器件。

3 AMR：请问这个领域可能会出现哪些研究机会？

作者团队：

首先，如何基于分子几何因素和分子间相互作用调控堆积结构是实现有机半导体材料优异光电性能的关键，而晶体结构预测、机器学习等方法有助于该问题的解决。其次，有机半导体的晶相控制是一个重要的研究课题。在某些情况下，光电器件的理想晶相是亚稳态，这需要在材料生长过程中对其热力学和动力学参数进行微调。有机半导体器件在热、光或湿气下工作时的晶相稳定性也是一个需认真思考解决的问题。最后，如何构建堆积结构发展多功能的有机半导体材料是一项极具挑战性的课题。例如，高迁移率通常需要刚性的分子结构，紧密的堆积结构或高结晶度很难获得高效的发光效率或良好的柔韧性，需要从分子结构、分子间相互作用和堆积结构多角度进行综合平衡。

作者团队简介

甄永刚，北京化工大学教授。2018年获得国家优秀青年基金项目资助, 入选2020年度中国科学院青年创新促进会优秀会员，2022年担任Chinese Chemical Letters编委。主要从事有机光电功能材料的设计合成与晶体工程的研究，利用分子改造和晶体工程调控有机光电功能材料的聚集态结构，揭示分子结构-聚集态结构-光电性能的关系规律，发展高效电荷输运和优异光电性能的分子材料。发表SCI文章93篇，以第一作者或通讯作者发表J. Am. Chem. Soc. 4篇、Angew. Chem. Int. Ed. 5篇、Adv. Mater. 2篇、Chem 1篇、Acc. Mater. Res. 1篇。

课题组网站：

胡文平，天津大学教授、副校长。2007年获"国家杰出青年科学基金"资助，2014年获聘"长江学者"特聘教授，2016和2024年两次获国家自然科学二等奖。长期致力于有机半导体物理化学的研究，是我国有机半导体晶体工程及场效应晶体管器件物理的主要学术带头人之一。瞄准“有机集成电路”这一重大科技前沿，聚焦源头创新，构筑了“有机半导体晶体→高迁移率材料→高性能物理器件”的特色研究体系。发表SCI论文700余篇（IF>10.0的320余篇），被SCI引用超过46,000次（H因子=105）。编有中文专著《有机场效应晶体管》（科学出版社，2011），《分子材料与薄膜器件》（化学工业出版社，2011），英文专著《Organic Optoelectronics》（Wiley出版社，2012）。

课题组网站：

郭俊峰，北京化工大学材料科学与工程学院博士生。2019年毕业于中国石油大学（北京），获学士学位。2022年毕业于中国科学院化学研究所，获硕士学位。目前是北京化工大学博士研究生，师从甄永刚教授。主要研究方向为有机光电功能材料的晶体工程。

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Rational Control of Packing Arrangements in Organic Semiconducting Materials toward High-Performance Optoelectronics

Junfeng Guo, Chunfeng Shi, Yonggang Zhen*, and Wenping Hu

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00054

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