Small Methods：利用多重”非共价构象锁”构建高共平面有机半导体材料

载流子迁移率是有机半导体材料的重要性能参数，在有机半导体材料中，载流子的迁移主要是通过电荷在共轭分子间的“跃迁”来实现的。具有共平面构象的分子有利于电子的离域，同时有助于形成较紧密的分子堆积，从而有利于载流子迁移。目前主要通过两种方法来提高共轭分子的共平面性，一种是采用共价键将相邻的芳香环连接起来，形成稠环结构，禁阻相邻芳香环的自由旋转。然而，该方法通常需要较多的合成步骤，会大幅度增加材料的生产成本，不利于有机电子技术的发展。另一种是采用分子内非共价作用力来锁定相邻芳香环，提高共轭材料的平面性和载流子迁移率，最终提高相关光电器件的性能。黄辉教授与Tobin Marks教授、Antonio Facchetti教授较早的将该类方法应用于高共平面有机半导体材料的设计与合成中，并首次将其定义为“非共价构象锁”（Noncovalent Conformational Locks）(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 10966.）。近年来，该概念及设计思想得到了学术界的广泛认可，并逐渐成为设计高性能共轭半导体材料的重要策略之一。如诺贝尔奖获得者Allen Heeger教授直接“借用Huang等人的构象锁概念”（Borrowing the term “conformational lock” from Huang et al., this stabilizing……energy distribution）来解释材料构象结构和太阳能电池性能之间的关系 （J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 165897.）

近期，中国科学院大学黄辉教授领导的研究团队利用多重“非成键构象锁”来构建高度共平面的小分子IDT-4CN，并应用于有机太阳能电池的研究（Small Methods, 2018, DOI: 10.1002/smtd.201700330）。通过理论计算表明，IDT-4CN分子的核和桥联基团以及末端基团形成了N···S, C-H···O和C-H···N多个“非成键构象锁”，使得分子具有高度共平面的构象。基于IDT-4CN的太阳能电池器件展现了优异的性能，其中，能量转换率达到8%以上，远高于同等条件下基于PC71BM的太阳能电池器件；进一步研究结果表明性能提高的重要原因之一来自于混合膜的电子迁移率的提升，因此提升了太阳能电池的填充因子和能量转换率。该研究进一步表明利用“非成键构象锁”可简便且有效地提高分子的共平面性，从而提升材料的迁移率和器件性能，为设计研发新型的高性能太阳能材料提供了新思路，该工作主要由中国科学院大学材料学院博士生杨雷完成，材料学院彭爱东副教授为共同通讯作者。课题组“非成键构象锁”相关系列研究成果近期也发表于Adv. Mater. (2017, 29， 201603154)，J. Mater. Chem. A, (2017, 5, 21674)，J. Mater. Chem. C, (2017, 5, 12591) ，Mater. Chem. Front. (2017, 1, 1317)，Adv. Opt. Mater. (2018, 6, 1701394)。

该工作得到了国家自然科学基金委、北京市自然科学基金、中国科学院百人计划项目和中科院前沿局重点研发计划以及先导培育项目的资助。