氢键诱导新型双极性共晶的可控制备及光电性能研究

Organic cocrystals are of crucial importance for the scientific research and potential application in the fields of high conductivity, ferroelectricity, light-emitting and ambipolar charge transportation. However, ambipolar cocrystals are still scarce and usually suffer from unbalanced electron and hole mobility and low performance, which hampered the development of cocrystals. How to prepare the ambipolar cocrystals with high performance is still a big challenge. By introducing molecular recognition groups with complementary hydrogen bond interaction between electron donor and acceptor, we design to synthesize organic cocrystal materials, which are expected to combine excellent charge transporting and highly luminescent behaviours. Multiple weak interactions induced by hydrogen bonding can effectively regulate the arrangement between organic electron donor and acceptor, leading to novel well-ordered ambipolar cocrystals. We try to adjust the electronegativity and degree of conjugation between donor and acceptor in order to optimize the molecular stacking and improve the optoelectronic properties of ambipolar cocrystals. The relationship between molecular structure, crystal packing, fundamental physical processes and device performance is to be explored, providing important gudiance for the development of the novel high-performance or multifunctional cocrystals.

有机共晶在有机导体、铁电、发光、双极性传输等光电领域具有重要的研究价值和应用前景。但是，目前具有双极性输运特性的有机共晶材料仍然非常少，载流子迁移率相对较低，且电子和空穴传输不平衡，高性能的双极性传输共晶的制备仍是一个亟待解决的难题。本项目借鉴超分子化学中的分子识别作用，在具有高载流子传输能力的给体和受体分子上，选择性引入含互补氢键的分子识别手臂，利用氢键诱导多重弱相互作用，制备一种新型双极性共晶；通过调节共晶组分给受体单元电负性及共轭程度，优化共晶堆砌模式、改善共晶光电性质，从而实现高性能的双极性传输，并探究分子结构、晶体堆积与共晶器件光电性能之间的内在关联机制，为指导开发高性能、多功能化的新型有机共晶提供理论依据。

通过不同组分的协同和集合效应，有机共晶相比单一材料组分能展现出更加丰富新颖的光电性质，在高性能化、多功能化光电材料与器件领域具有重要的研究价值与应用潜力。本项目从氢键和给受体静电相互作用角度设计并合成相关材料骨架，制备共晶并对有机共晶组分和相关微纳结构开展了光学和电学性能研究。主要包括（1）以硫杂苝PET为给体，TCNQ和F4TCNQ为受体，通过液相组装得到两种有机共晶。PET-TCNQ微米线场效应晶体管表现出空穴型传输性质，空穴迁移率为0.04cm2V-1s-1；而PET-F4TCNQ表现出电子型传输性质，电子迁移率为0.05cm2V-1s-1。通过对受体分子电负性的调节，实现了共晶场效应晶体管载流子传输类型的调控。（2）以查尔酮为分子骨架，设计合成了8个查尔酮衍生物，研究不同取代基团对其激发态质子转移和放大自发辐射性质的影响，同时可利用微纳结构晶体排布和生长的各向异性，实现放大自发辐射光谱峰位的调控。在此基础上，本项目针对同分异构查尔酮共晶体系开展研究，揭示了分子结构中组成单元共轭平面程度在共晶形成中的重要性，为共晶组分筛选提供了数据支撑。（3）在氰基寡聚苯乙烯分子母核上，选择性引入可形成氢键的分子识别官能团，设计合成了9个化合物。筛选给受体分子，基于氢键和静电相互作用得到P型和N型传输性质的两个共晶材料，其空穴迁移率高达0.02cm2V-1s-1，电子迁移率高达0.24cm2V-1s-1。这些结果加深了对共晶基元材料的设计合成、分子内电荷转移程度、晶体排布与光电性能之间相关性的理解。此外，通过溶剂诱导制备了多晶型aDCFDCS分子，晶型可通过研磨和蒸汽熏蒸定向转化，且能实现温致变色响应。综上所述，本项目设计制备新型共晶材料，探索分子结构、晶体排布、固态荧光量子产率与电荷输运特性之间的内在关联机制，为进一步设计高性能共晶材料与器件提供指导和借鉴。