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【文献阅读7】有机场效应材料的分子设计获进展

已有 4332 次阅读 2013-5-9 15:06 |个人分类:文献阅读|系统分类:论文交流|关键词:学者| 分子设计, 有机材料, 场效应

有机场效应材料引起了人们广泛的关注,一方面是由于技术应用的刺激,非晶硅的迁移率达到0.1-1 cm2/(V s), 多晶硅达到10 cm2/(V s)以上,在一些例子中,有机小分子真空蒸镀的达到17.2 cm2/(V s),溶液旋涂的达到31.3 cm2/(V s),在一些高分子体系中也达到10.5 cm2/(V s),由单晶直接来做的也达到15-40 cm2/(V s),随着碳电子学的发展,一些数值仍在刷新中;一方面是由于分子设计的要求,有机分子种类繁多,结构多样,做了那么多,没有一个理性的设计思路显然是不成的,合成的随意性问题比较突出。这两方面的考虑,使得我们必须静下心来,好好梳理一下。

美国斯坦福大学的鲍哲南课题组最近在JACS上发表了长达23页的Perspective文章,系统地阐述并总结了有机场效应材料的分子设计思路。这个文章可以说是鸿篇巨制,看得人心潮澎湃,有一种醍醐灌顶,酣畅淋漓的感觉,下面就简单发表一下读后感,为了便于读者理解,我分三个部分汇报。

(1)行文逻辑:这篇文章内容长,牵涉广,一共引用了303篇文献,旁征博引,对于初学者来说很难消化吸收,所以这里简要说一下行文的逻辑。首先作者的角度是站在现在看过去,有点像写历史故事的味道,归纳总结很多具体事例,所以看的时候可以先略去事例,熟悉这个领域工作的人,一看就知道是一些经典文献,涉及的化合物也都是里程碑式的明星分子。文章主要分两大部分,一种是化学家的思路,一种是物理学家的思路。化学家的思路就是怎么结构修饰,变换基团的问题;物理学家的思路就是改进器件工艺,界面接触的问题。其实去看文章的人就会知道,还有一部分就是理论计算辅助分子设计的部分,因为这个也是思考结构修饰的问题,其实可以归属为化学家的思路,实际做这项工作的也基本都是理论化学家。

(2)化学家的思路:这显然是论文的重点。前面说了结构修饰,那么问题就变成怎么结构修饰呢?作者枚举论证了一些重要的方法,比如芳环拓展效应、杂原子取代、核修饰变换、侧链调节等等,这些方法也不都是作者想出来的,而是为了改进性能,经过不同课题组实验验证的。比如,核修饰变换也并不是盲目修饰,而是为了引入一些吸电子基团,增加分子的空气稳定性,提高n型半导体电荷传输性能。总之每一个方法的提出都是有窍门在里面,这篇文章也进行详细的阐述。

(3)物理学家的思路:首先需要申明,器件的性能并不只是分子本身决定的,决定的因素非常多,所以光谈结构修饰是不明智的。除了很多综述文章会提到的器件结构和制作工艺以为,解决好界面传输始终是物理学家奋斗的目标。换句话说,化学家总是想合成迁移率高的分子,“挑选好的人才,优中选优”;物理学家总是想营造一个好的氛围,“即使是阿斗也能扶得起来”。这个比喻虽然有点不恰当,但是基本可以说明两种工作方式,这里并不是说物理学家的思路比化学家的思路高级,实际上都是五十步笑百步而已。物理学家,其实主要是材料工程师们会选择改进分子堆积、工艺优化等方法,但是终极的策略是使用单晶来测试性能,因为单晶可以表现出一个化合物的本征性能。

总之这篇文章,系统地总结了有机半导体场效应材料的分子设计理念,给了我们诸多启发,希望相关的老师和同学都来读一读,学一学,少走弯路,多发文章。

Ref:J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 6724−6746. DOI:10.1021/ja400881n



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