单层二维共价网格结构的构筑策略与性质研究

Two-dimensional (2D) nanomaterials, such as graphene, transition metal chalcogenides, have shown many interesting dimension-related materials properties. Inspired by the development of 2D inorganic nanomaterials, single-layered covalent organic frameworks (sCOFs), featured by atomic thick sheet and crystalline extended organic structures with covalently bonded building blocks, have attracted great attention in recent years. With unique graphene-like topological structure and the merit of structural diversity, sCOFs are promised to possess novel and designable properties. However, the synthesis of sCOFs with well-defined structures remains a great challenge. In this project, we are devoted to the development of bottom-up synthesis methods of 2D sCOFs, such as thermodynamic equilibrium control methods, growth kinetics control methods, and surface-assisted covalent polymerization methods. The high quality sCOFs with large area and low defect density will pave the way to understand the structure-property relationship of these materials. Finally, we will explore the potential application of sCOF materials for organic electronics and sensors.

具有类石墨烯结构的共价有机网格结构具有新颖的结构特征，可设计的材料特性，是一类具有重要科学和应用意义的材料。虽然表面合成单层有机网格（sCOF）结构与材料具有较好的可行性，但是由于相关合成策略的发展不够成熟，目前已报道的结果普遍存在有序性差，畴区小等缺点，制约了材料性质的表征和应用。本项目将以sCOF结构材料为研究对象，通过对表界面分子吸附、反应和组装规律的延伸以及对表界面sCOF形成反应独特性的认识，着力于发展有效的sCOF结构材料构筑方法学，进而揭示sCOF材料拓扑结构与性质之间的构效关系，并探索sCOF材料在有机光电功能器件等方面的应用。本项目的研究内容即是表面物理化学的基本研究内容，又与材料科学、纳米电子学等领域有着较强的学科交叉。通过本项目的实施，将有可能在sCOF结构材料的合成策略方面产生突破，获得具有独特结构特征和性能可设计的sCOF结构材料。

具有类石墨烯结构的共价有机网格结构具有新颖的结构特征，可设计的材料特性，是一类具有 重要科学和应用意义的材料。本项目的研究目标是以单层共价有机框架（sCOF）结构材料为研究对象，以扫描隧道显微镜等先进表界面表征技术为主要手段，深入揭示sCOF结构形成中的吸附、反应和生长规律，发展大面积有序sCOF结构的构筑方法学和修饰方法，研究sCOF结构材料在电子学、电化学、光学等方面的独特性质，进而建立sCOF材料拓扑结构与性质之间的构效关系，并探索sCOF材料在有机光电功能器件等方面的应用。在课题执行期间围绕项目计划书的约定开展了系统研究工作。发展了sCOF结构的构筑方法学，针对动态共价键发展了基于平衡控制的构筑方法，针对C-C偶联反应发展了基于表界面催化的构筑方法；基于分子基元设计，构筑了系列由不同驱动力形成的分形组装结构；发展了基于凝胶/溶液界面的限域合成方法制备取向的COF薄膜，构筑了基于少层共价有机骨架薄膜的场效应器件和电致变色器件。项目执行以来在JACS(6), Angew Chem (2), Nature Commun. (2), ACS Nano(6), Chem Sci, 等期刊发表论文67篇。在高登研究会议等国际、国内会议做邀请报告10余次。