高度有序有机超分子的原位自组装及其光电性质

Although solution processed opto-eletronic devices feature mild conditions, large area, simple procedure and low cost, lots of organic opto-electronic small molecules have very poor solubilty in common organic solvents due to the highly conjugated aromatic system.The introduction of flexible and nonconjugated substitutes can enhance the solbubity but decrease the density of chromophores and disturb the π-stacking and other nonbonding intermolecular interactions, leading to a low charge carrier mobility. Therefore, we design to synthesize the well-soluble precursor of highly conjugated small organic molecules for facile solution processable procedure. By accessible and moderate thermal convesion, totally insoluble organic conjugated organic small molecules can be achieved in a very high efficiency and continue to in situ self assembly into well-oredered supramolecule by hydrogen bonding and π-stacking. The opto-electronic properties including the charge transporting behaviors are expected to be investigated systematically by spectroscopic techiques and electronic device fabrication. The exploration of the intrinsic opto-electronic properties will shed light on the potential applications of elctronic devices. More importantly, the good understanding on the relationship between the supramolecular structure and the optoelectronic properties will give insight into the design of the novel organic opto-electronic highly-ordered supramolecules.

溶液法制备光电器件主要在于条件温和、易于大面积制备、工艺和设备简单、成本低。但是，大多有机光电小分子是高度共轭的芳香体系，溶解性差，不利于溶液处理和自组装；柔性基团的引入可增加其溶解度，却降低了功能单元的密度，并能阻碍分子间π-π堆积作用等非共价键弱作用，影响分子紧密堆积，从而导致器件性能变低。我们设计合成有机光电全共轭小分子可溶性前体，便于溶液处理加工。通过较低温度的热转换条件，高效地转换为不溶性的、有机光电全共轭小分子，并进一步通过氢键、π-π堆积作用等分子间作用力，原位自组装为高度有序、堆积紧密的有机光电超分子。通过相关谱学和电子器件的构筑，研究全共轭有机超分子的光电性质、电荷传输机理和传输特性，揭示基于氢键作用的全共轭超分子的本征性能，探索其光电器件的潜在应用。并通过对超分子结构与光电性能关系的研究，指导设计新型有机光电超分子的原位自组装。

超分子化学的发展不仅与大环化学的发展紧密相连，而且与分子自组装、分子器件和新兴有机功能材料的研究息息相关。结构高度有序、堆积紧密的有机光电超分子在场效应晶体管、太阳能电池、发光二极管等光电器件具有较高的器件性能，是近年来材料科学家和化学家关注的热点和焦点。尽管有机光电超分子自组装获得了快速发展，但如何可控自组装制备高度有序、结构紧密的有机微纳单晶和薄膜仍是一项极具挑战性的研究课题。通过该项目的实施，我们重点研究了高迁移率有机微纳单晶、共晶和薄膜的自组装调控，取得了一些创新性的研究成果。.我们分别通过滴铸法和物理气相传输法对有机微纳晶晶相进行了调控，获得了迁移率高达26.8 cm2 V-1 s-1的单晶器件，揭示了（HOMO-1）轨道偶合对于电荷输运特性的重要贡献以及分子层间电子偶合作用对电荷传输特性的重要影响（Adv. Mater., 2015, 27, 825；Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 5206）。我们通过物理气相传输法可控制备了一种空气下稳定、电性能可调的自由基半导体，具有高电导率（0.265 S cm-1）和迁移率（1.91 cm2 S-1 V-1），对自由基材料结构与性能的关系进行了初步的探索（Adv. Mater., 2016, 28, 7466）。我们观测到富勒烯C60、C70与卟啉类的大环DPTTA 共晶体系具有明显的光伏效应，这是国际上第一个报道的基于分子尺度PN结的光伏器件（Adv. Electron. Mater., 2016, 2, 1500423）。利用滴铸法，大规模、选择性地制备了不同给受体比例共晶纳米线和微米片，发现其成核、生长只与给体组份浓度紧密相关，提出了“共晶中类交替柱堆砌方式不利于光生激子的分离”（Small, 2015, 11, 2150）。.项目执行期间，项目负责人以通讯作者在Adv. Mater. (2)、Angew. Chem. Int. Ed. (1)等期刊上共发表SCI论文9篇。