螺环芳烃2D半导体的自组装与光电存储

2D aromatic crystals typically as graphene has been attracted great research attentions. The self-assembly organic 2D semiconductor, combining with the advantages of multi-species, tunable band-gap and facile solution process, is one of the most important developing 2D materials. With the framework of organic opto-electronics, a serial of ultra-thin 2D semidonductor based on spiro-arene bricks is design with different width of band-gap, where after, integrating it into photo-programmable transistor memory as the charge trapping element. The driven force of supramolecular self-assembly in spiro-arene crystals is deeply investigated to realize the morphology prediction and to illustrate the relationships between morphology and configuration, supramolecular interaction of spiro-arene. In the trend of multi-functionality of organic devices, the 2D morphology and nano-effect is utilized to design the reliable photo-programmable organic transistor memory with multi-level and nonvolatile feature, in cope with the shortage of poor stability of the charge trapping layer. The self-assembly of spiro-arene 2D semiconductor combined with the nano-technology offers a novel strategy in the design of organic 2D materials and enriches the species of organic semiconductor. The construction of photo-programmable transistor memory benefits for the development of future device towards multi-functionality, integration and smart behavior.

以石墨烯为代表的2D原子晶体受到科学界高度重视，自组装有机2D材料结合了有机半导体种类丰富、能带可设计、易于溶液加工等优势成为2D材料的重要发展方向。申请人拟在有机光电子学的框架下，以非平面半导体螺环芳烃为构筑单元设计一系列不同带隙宽度的超薄2D半导体，将其作为电荷捕获单元引入光控场效应晶体管存储器。拟通过深入分析螺环芳烃晶体中自组装超分子驱动力实现其形貌预测，揭示分子构型、超分子作用力与2D形貌的构效关系。拟通过重沉淀法系统探索基于螺环芳烃2D半导体的制备条件与形貌控制方法。面向有机器件的多功能化趋势，针对电荷捕获层存储稳定性差的缺陷，利用其2D形貌优势和纳米效应，设计多阶非易失性的光控有机晶体管存储器。螺环芳烃2D半导体的自组装与纳米技术相结合，将为有机二维材料的设计提供新思路，丰富有机半导体的种类；光控晶体管存储器的设计为未来存储器件多功能化、集成化和智能化的发展提供有益的借鉴。

有机半导体材料迁移率低、稳定性差一直困扰着有机电子器件的发展，这主要归因于纳米薄膜现有的真空蒸镀或溶液加工工艺难以实现高结晶度的有序薄膜。自组装有机半导体二维纳米结构，结合了有机半导体种类丰富、能带可设计、易于溶液加工等优势有望攻克上述高度结晶薄膜的溶液制备。本项目在有机光电子学的框架下，提出了系统的微纳单晶生长的热力学形貌预测方法，并通过超分子作用力的对称性破缺来驱动螺环芳烃的多尺度自组装形貌，在获得丰富可调控形貌的同时验证了上述方法的可行性，为有机微纳单晶自组装提供了重要的理论指导。随着研究的深入，本项目提出以深度对称性破缺策略构筑一系列不同带隙宽度的螺环芳烃超薄半导体纳米片，将其作为电荷捕获单元引入光控场效应晶体管存储器。通过深入分析螺环芳烃晶体中自组装超分子驱动力实现其形貌预测，揭示分子构型、超分子作用力与二维形貌的构效关系。针对电荷捕获层存储稳定性差，利用其二维形貌优势和纳米效应，设计多阶非易失性的光控有机晶体管存储器。螺环芳烃半导体的自组装与纳米技术相结合，将为有机超薄纳米片的设计提供新思路，丰富有机半导体的种类；光控晶体管存储器的设计为未来存储器件多功能化、集成化和智能化的发展提供有益的借鉴。.有机微纳半导体有望挑战已取得系统研究成果的无机纳米材料。本项目充分利用有机半导体离子存储与氧化还原的电化学特性，初步开展了新能源领域的研究。项目负责人设计并自下而上的合成并自组装了可自支撑的单层富氮-类石墨烯-多孔共轭聚合物，用于锂离子电池负极，并展示了优异的可逆离子存储性质。考虑到自组装有机微纳半导体极易在有机相中溶解，项目负责人提出了水相二次电池的设计策略有望克服上述问题，从而为实现高度安全、环境友好的大规模固定式储能电站提供解决方案。