有机光电功能材料的晶体工程

来源：X一MOL资讯

晶体工程是基于晶体堆积中分子间相互作用力的理解来设计预期物理化学性质的新颖固体，是一门非常重要的交叉学科，涉及化学、材料科学和药物学等研究领域。有机光电功能材料主要由有机共轭小分子或大分子通过π–π、氢键、范德华力等分子间作用力而形成的具有光、电、磁功能的一类材料，作为晶体工程的重要研究对象，其单晶、共晶或晶态膜具有高度有序的聚集态结构，表现出优异的电学性能或光学行为，在柔性、印刷、可穿戴电子学领域具有十分广阔的应用前景，受到了学术界和工业界的日益关注。

由于分子间力的多重性和弱作用，如何从晶体工程角度理性设计有机光电功能材料仍充满挑战和困难，目前尚缺乏这方面系统性的综述。近日天津大学胡文平教授和中国科学院化学研究所甄永刚研究员等在Cell Press旗下的化学旗舰刊物Chem 上在线发表了“有机光电功能材料的晶体工程”专题综述论文，从晶体工程角度出发，以分子结构-堆积结构-晶体形貌-光电性能的关系规律为主线，探讨了高性能分子材料晶体工程的指导原则和设计思想，并对其未来的发展方向和面临的挑战做出了深入的思考和前瞻性展望。首先介绍了分子间作用力和超分子合成子的特征和重要性；进而根据分子结构的特征（线型分子、盘状分子与碗状分子），讨论了其取代基和C/H原子数目比例如何影响分子间作用力、堆积方式、晶体形貌乃至光电性能；然后介绍了晶体生长包括晶相、晶面和晶貌控制的常用方法（物理气相传输法、滴铸法、提拉法、剪切法）及其影响因素，并强调了水面法在二维单晶膜可控制备中的独特优势；概括了目前有机晶体图案化技术，重点讨论了基板辅助法和印刷技术的发展现状；最后探讨了二元和多元晶体工程的研究进展，包括p-n结的制备方法、有机共晶的堆积模式和光电性质、固溶体在光电器件中的应用。

近年来，该研究团队在有机光电功能材料晶体工程方面做出了系统性和前沿性的研究，并取得了一系列引领性进展。在分子结构设计和改造方面，研制了一系列兼具电荷输运与发光的有机半导体单晶材料，推动了器件光电集成化发展（Adv. Mater., 2019, 31, 1903175; Nat. Commun., 2018, 9, 4790; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 17261; Nat. Commun., 2015, 6, 10032）。在分子自组装、晶体生长和晶相调控方面，获得了分子堆积紧密、电荷输运优异的有机晶态材料，实现大面积有机单晶膜的可控制备（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 5339; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 62; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 2734; Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 9519; Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 5206; Adv. Mater., 2014, 27, 825）。在二元和多元晶体工程方面，发展了双极性电荷传输、光电转换、光热转换、高效发光、非线性光学、刺激形变等多功能有机材料（Adv. Mater., 2019, 31, 1902328; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 1; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 3963; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 6186; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 7831; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 10352; Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14023; Adv. Mater., 2016, 28, 5954; Adv. Electron Mater., 2016, 2, 1500423; Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 6785; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 11038; Small, 2015, 11, 2150; J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 558）。