李远课题组提出了一种基于“给体-受体”电子结构的稳定窄带隙开壳双自由基的分子设计

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近日，华南理工大学材料科学与工程学院/发光材料与器件国家重点实验室李远课题组提出了一种基于“给体-受体”电子结构的稳定窄带隙开壳双自由基的分子设计策略，相关成果以“Evolution of the Electronic Structure in Open-Shell Donor-Acceptor Organic Semiconductors”为题发表在《自然 通讯》杂志（Nature Communications）。
        在过去的近30年，有机半导体基光电材料经历了长足的发展，在有机发光二极管（OLEDs）、有机光伏（OPVs）、有机场效应晶体管（OFETs）、有机光探测器（OPDs）等领域展示出良好的应用前景。其中，经典的“给体-受体”结构设计是实现窄带隙有机半导体的最为重要和有效的策略之一，这类“给体-受体”有机半导体具有优异的稳定性，被广泛应用于有机光电、热电、光热转换及荧光生物成像等众多前沿热门领域。关于有机半导体材料和器件的理论较为丰富，然而基于新原理开发新颖的有机光电材料是当前该领域的重点和热点。
        开壳型自由基分子因其具有独特的物理化学性质，在有机电子学、光电、生物等多个领域具有潜在的应用场景。目前，大多数的开壳自由基材料基于多环芳烃、醌式对二甲苯醌等体系，近百年来，基于这种体系的开壳自由基材料的合成方法和应用不断取得新突破，其电子基态绝大部分为“开壳-单线态基态”。

电子结构

        近四年，华南理工大学李远课题组在设计和合成了基于“给体-受体”结构的开壳型型窄带隙有机半导体，利用变温核磁共振、变温电子自旋共振、超低温和高温超导量子干涉仪、单晶X射线衍射、升华提纯实验，HPLC纯度验证，同分异构体对照等多种研究手段，在实验上进行了论证。同时，借助经典自由基理论计算工具，双自由基特征指数（Diradical character index，y0) 的计算表明这类有机半导体的y0值可在20%至40%之间有效调控，继续延长共轭可提升至66.5%。同时，对基态的“单线态(S0)-热激发三线态(Tt)能级”（Singlet-triplet energy gap, ΔEST)、NICS、ACID等进行了计算，进一步佐证了其开壳结构。这一系列系统的研究工作提出了一种基于“给体-受体”结构的稳定窄带隙开壳双自由基的分子设计策略。
李远课题组坚持多年的工作提出了一种新型的稳定自由基材料的合成设计策略，相关研究成果以“Evolution of the Electronic Structure in Open-Shell Donor-Acceptor Organic Semiconductors”为题，于2021年10月7日在线发表在《自然-通讯》杂志（Nature Communications, 2021, 12, 5889）。
        该论文第一单位为华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室与高分子发光材料与器件研究所，论文通讯作者为华南理工大学李远副教授、黄飞教授和密西西比州立大学Neeraj Rai助理教授，第一作者为华南理工大学陈仲鑫博士。该项目得到国家重点研发项目（2019YFA0705900）、国家自然科学基金面上项目（51973063）、“广州市珠江科技新星”（201710010194）、“广东省科技创新特支计划青年拔尖人才”项目（2019TQ05C890）和广东省基础与应用基础研究重点项目（2019B030302007）等项目的资助。
        附论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26173-3
        李远，2010年于华南理工大学获得博士学位，师从曹镛院士；2010年-2013年在新加坡国立大学化学系从事博士后研究工作，导师为吴继善教授，2013年于华南理工大学开展独立研究工作。主要研究领域为有机自由基半导体的合成与应用研究，迄今为止以第一或通讯作者在Nature Communications, Joule, Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energ. Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊发表发表SCI论文60余篇，授权专利10余项，获得国家自然科学基金“青年基金”，“面上项目”，“中央高校杰出青年基金”，“广州市珠江新星”及“广东省科技创新特支计划青年拔尖人才”等项目资助。目前主要研究方向：1）稳定的有机自由基光电材料的设计与合成；2）有机半导体的电子自旋基态调控与应用研究。


           文章来源：华南理工大学