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  有機(jī)半導(dǎo)體材料主要應(yīng)用于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFET），本體異質(zhì)節(jié)太陽能電池（BHJ-OPV），有機(jī)電致發(fā)光材料（OLED）以及傳感器等，其結(jié)構(gòu)便于設(shè)計(jì)，性能易于調(diào)控，以及可用于制備柔性電子器件等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，吸引了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，是未來國(guó)家材料以及能源發(fā)展的重要方向之一。含有內(nèi)酰胺官能團(tuán)的異靛藍(lán)分子（isoindigo）是有機(jī)半導(dǎo)體材料的重要受體結(jié)構(gòu)單元，已在OFET與OPV上表現(xiàn)出較為優(yōu)異的性能。對(duì)其結(jié)構(gòu)的改造和構(gòu)效關(guān)系的研究對(duì)發(fā)展新型高效的共軛聚合物有著重要的意義。

  近來，中科院青島能源所的萬曉波研究員帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)在對(duì)異靛藍(lán)分子的結(jié)構(gòu)改造研究中，利用異構(gòu)化的反應(yīng)，創(chuàng)造性地將其轉(zhuǎn)化為一種全新的共軛結(jié)構(gòu)—二苯并萘啶二酮（DBND）。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該分子與異靛藍(lán)相比，具有更好的分子平面性和結(jié)晶性，且?guī)陡鼘挘m合于構(gòu)筑超寬帶隙（帶隙在2.2eV以上）的共軛聚合物。該團(tuán)隊(duì)與陽仁強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)合作，測(cè)定了基于此分子的共聚物的太陽能電池效率，研究結(jié)果表明，盡管帶隙高達(dá)2.23eV, 僅對(duì)短波長(zhǎng)日光有吸收（400-550 nm），而基于此分子的共聚物的有機(jī)太陽能器件的光電轉(zhuǎn)化效率卻高達(dá)6.32%，是當(dāng)時(shí)報(bào)道的光學(xué)帶隙超過2.2eV共軛聚合物光電轉(zhuǎn)換效率的紀(jì)錄值（Chem. Mater., 2016, 28, 6196-6206）。

  在研究氟原子取代對(duì)該材料光伏性能的影響時(shí)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)氟原子在主鏈取代位置的改變對(duì)基于DBND的共軛聚合物的光電轉(zhuǎn)換效率帶來了截然相反的影響，這是以往關(guān)于氟取代影響的研究中未見報(bào)道的。盡管兩種氟取代的聚合物都具有相似的能級(jí)、帶隙和平面性，鄰位氟取代導(dǎo)致相應(yīng)聚合物的光電性能相比于未取代的聚合物大大降低（從5.75%降低至1.44%），而對(duì)位氟取代導(dǎo)致相應(yīng)聚合物的光電性能卻有所提高（從5.75%提高至6.55%）。萬曉波研究員與蘭崢崗研究員團(tuán)隊(duì)合作，通過理論分析，對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了深入的分析，發(fā)現(xiàn)氟原子取代位置的不同導(dǎo)致了聚合物偶極距的變化，進(jìn)而導(dǎo)致了分子間相互作用強(qiáng)度的不同，最終形成了光電材料活性層相分離結(jié)構(gòu)的差異。相關(guān)工作發(fā)表在Chem. Mater., 2017，DOI:10.1021/acs.chemmater.7b03025。

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Facs.chemmater.7b03025

  在對(duì)基于DBND的共軛聚合物的構(gòu)效關(guān)系的研究中，該研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)DBND結(jié)構(gòu)單元中酰胺基團(tuán)烷基化方式的不同對(duì)材料場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能有著顯著的影響。研究表明，氮烷基化的聚合物比氧烷基化的聚合物的載流子遷移率高出近100倍，這是由于氮烷基化的聚合物具有更強(qiáng)的極性和分子間作用力的緣故。相關(guān)工作發(fā)表于Macromolecules, 2017，DOI: 10.1021/acs.macromol.7b01575。

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Facs.macromol.7b01575

  這一系列研究加深了對(duì)DBND這種新型受體單元性質(zhì)的理解，有助于發(fā)展性能更為優(yōu)秀的受體單元材料。

  相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的支持。