用氢键来控制共轭分子的电子和超分子结构

控制有机共轭体系的超分子结构对于有机晶体管和有机太阳能电池的性能有着决定性的影响,但他们的精确组装仍然是一个未解决的挑战。卤键、氢键等在近年来作为超分子方法在共轭领域收到了很大的关注,然而它们普遍缺乏方向性,也同时忽略了可能的对电子结构的影响。

近日,加拿大麦吉尔大学Dmitrii Perepichka教授研究组的00后博士生刘承昊作为第一作者报道了一种既可以精确控制共轭系统的超分子结构、又可以显著而可控地改变供体-受体的电子结构的方法。该工作以标题” Extraordinary Enhancement of π‐Electron Donor/Acceptor Ability by DD/AA Complementary Hydrogen Bonding” 发表在在顶级化学期刊Angewandte Chemie上。

用氢键来控制共轭分子的电子和超分子结构

 

利用DD/AA双点的互补氢键,作者导向性地组装了一系列吲哚并咔唑和邻苯醌的共轭共晶。氢键的极化作用成功诱导了这些弱供体-受体成为强供体-受体,使得带隙能级最高降低了1.5 eV(实验带隙能级为1.59-0.65 eV)。

用氢键来控制共轭分子的电子和超分子结构
图1。(a)B3LYP/6-31G(d) 的轨道能量计算结果。供体(吲哚并咔唑)最高占据分子轨道(HOMO)和受体(邻苯醌)最低未占用分子轨道(LUMO)为黑色,HOMO和HOMO的改变用蓝色标注,LUMO和LUMO的改变用红色标注。结合能在图下方标注。(b)电子结构的改变的原理示意图。
用氢键来控制共轭分子的电子和超分子结构
图2。X光衍射所得共晶结构分析,包括共晶正面与侧面图,π-堆积结构(蓝色为供体,红色为受体)和相对应的超低面间距(d∥) 。

这种可控的电子结构改变直接反映在所制备的半导体性能上——电荷迁移速度得到数个数量级的提升,并可分别调控成为p型、双极型、本征半导体。

用氢键来控制共轭分子的电子和超分子结构
图3。IC-AceNap(a, p-型), IC-Diaza (b, 本征), IC-PyT(c, 双极型) 有机场效应晶体管数据。

作者还进行了一系列电化学,振动光谱和电子光谱,电子自旋共振(ESR),光晶体管研究,阐明了这一新型电荷转移复合体的结构特性关系。这一工作有望在(本征)半导体设计和太阳能电池的形态与电子结构调控上发挥重要作用。

本文由第一作者刘承昊在本科(2016级本科)所设计的毕业课题,其开展了除晶体管外的设计、合成、组装、表征工作。

全文链接:

https://onlinelibrary_wiley.gg363.site/doi/abs/10.1002/ange.201910288

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