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  載流子遷移率是有機(jī)半導(dǎo)體材料的重要性能參數(shù)，載流子在有機(jī)半導(dǎo)體材料中的遷移主要通過電荷在共軛分子間的“躍遷”來實現(xiàn)。具有共平面構(gòu)象的分子有利于電子的離域，同時有助于形成較緊密的分子堆積，有利于電荷的躍遷。為了提高共軛體系的共平面性，避免單鍵相連的相鄰芳香環(huán)自由旋轉(zhuǎn)，同時通過共價鍵將相鄰的芳香環(huán)用C、Si或者N原子連接起來，形成具有較高剛性、較好平面性的稠環(huán)結(jié)構(gòu)成為制備有機(jī)半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵。但該方法通常在合成中具有較大的難度，同時會增加材料的成本，不利于有機(jī)半導(dǎo)體的發(fā)展。

  為了克服該方法的局限性，2012年，中國科學(xué)院大學(xué)黃輝教授通過過渡金屬催化的烯烴復(fù)分解反應(yīng)，設(shè)計合成了具有氧-硫非成鍵作用結(jié)構(gòu)的噻吩乙烯模塊，通過非成鍵作用力阻止單鍵的旋轉(zhuǎn)，從而提高共軛分子的共平面性；相對于成鍵作用力，非成鍵作用力的引入可以避免復(fù)雜的合成路線。該方法提高了共軛材料的共平面性和載流子遷移率，從而使相關(guān)光電器件的性能得到大幅度提升；黃輝教授與美國西北大學(xué)的Tobin Marks教授等合作將這種分子內(nèi)非共價鍵作用力定義為“非成鍵構(gòu)象鎖”（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 10966; Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 2782）。近年來，這一概念得到學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可，并逐漸成為設(shè)計高性能共軛半導(dǎo)體材料的重要策略之一。

  近期，黃輝教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)展了“非成鍵構(gòu)象鎖”的概念，研究了S···O、Se···O、S···N等“構(gòu)象鎖”的引入對光電性能的影響（Mater. Chem. Front., 2017, 7, 1317; J. Mater. Chem. A, 2017, DOI: 10.1039/c7ta05774a; Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.20160625）。研究結(jié)果表明，S···O、Se···O、S···N等“構(gòu)象鎖”的引入提高了共軛分子的平面性和剛性，從而降低重組能，并提高材料的遷移率，最終在場效應(yīng)管和太陽能電池中都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

  基于在非成鍵“構(gòu)象鎖”概念的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)以及多項開拓性工作，黃輝教授作為第一作者與通訊作者，與Tobin Marks教授、Antonio Facchetti教授應(yīng)邀共同為著名綜述期刊Chemical Reviews撰寫題為Organic and Polymeric Semiconductors Enhanced by Noncovalent Conformational Locks 的綜述，較全面地闡述了“非成鍵構(gòu)象鎖”的理論基礎(chǔ)、研究進(jìn)展和未來展望，為這一概念的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該綜述較為全面地總結(jié)了S···O、S···X(X = F, Br, etc.)、S···N、N···H、O···H等非成鍵“構(gòu)象鎖”在高性能有機(jī)小分子/高分子材料中的廣泛應(yīng)用，并為設(shè)計和構(gòu)建新型“構(gòu)象鎖”材料提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計思路。

  該工作得到國家自然科學(xué)基金委（51301380和21574135）、北京市自然科學(xué)基金（2162043）和中國科學(xué)院百人計劃項目、中科院前沿局重點研發(fā)計劃-青年拔尖科學(xué)家的資助。

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.7b00084