有机共轭体系的设计与组装(英文)

围绕有机共扼大π体系这一主题,利用共价键、配位键及弱相互作用如氢键、π-π堆积、亲水-疏水作用设计了一系列自组装超分子结构,在具有光电转换性能的给受体系、配位聚合物、光驱动的分子机器、空心胶囊等几个方面开展了一系列研究工作.

界面偶极如何影响有机与钙钛矿太阳电池的能带结构与性能

界面能带结构是指界面处电子能带的弯曲和倾斜。它能显著影响载流子的产生、注入、分离、传输、复合和收集等过程,是半导体光电子器件性能的重要影响因素。因此,优化界面能带结构、调控器件性能与工作机理是光电子器件领域的核心课题之一。如果将一组相距很近的正负点电荷肩并肩排列所组成的偶极层插入器件界面,电势能穿过偶极层时会发生突变,将能有效调控界面能带结构和载流子运动过程。

石墨炔-有机共轭分子复合材料的制备及其储锂性能

发展了基于超分子化学的新方法实现了对石墨炔的原位氮掺杂,通过利用石墨炔与有机共轭分子间强的π–π作用,原位制备了石墨炔/卟吩复合材料薄膜,并用作锂离子电池的负极材料,其比容量增加到了1000 m Ah·g^(-1),该复合材料表现出优良的倍率性能和循环稳定性,为可控制备掺氮石墨炔复合材料提供了新的思路。

静电纺丝制备超疏水TiO2纳米纤维网膜

采用静电纺丝技术构筑粗糙表面,再使用廉价的低表面能物质硅油在煅烧过程中进行同步修饰,制备出接触角大于150°,滚动角小于5°的TiO2超疏水表面.该超疏水表面具有由TiO2纳米纤维和微米尺寸颗粒状硅油高温分解产物织构而成的纳米纤维网膜结构,这种特殊的微纳米复合粗糙结构和疏水性硅油分解产物的修饰作用导致TiO2纳米纤维网膜的超疏水性.这种超疏水的TiO2材料为超疏水材料在防水织物、无损失液体运输和微流体等领域的应用提供了新的研究视野.

静电纺丝制备多级结构TiO_2微纳米纤维

通过对共轴电纺内流体溶液浓度和流速的调控得到4种具有不同内部结构的TiO2微纳米纤维,即具有"微孔"、"囊泡"、"竹节"和"管"状结构的TiO2微纳米纤维,实现了对纤维内部结构的有效控制,对于新型仿生中空纤维的研究具有重要意义.

石墨炔的化学修饰及功能化

石墨炔特殊的电子结构和孔洞结构使其在信息技术、电子、能源、催化以及光电等领域具有潜在、重要的应用前景。近几年石墨炔的基础和应用研究已取得了重要成果,并迅速成为了碳材料研究中的新领域。石墨炔中炔键单元的高活性为其化学修饰与掺杂提供了良好的平台。在这篇综述中,我们将重点介绍石墨炔的非金属杂原子掺杂、金属原子修饰以及表面改性,并深入探讨掺杂与衍生化对石墨炔材料的电子性质的影响及其对光电化学催化性能的协同增强。

基于氢键的阴离子识别主体分子的研究进展

阴离子在生物学、医学、催化以及环境等方面逐渐得到广泛认识与重视,阴离子受体研究在跨膜离子输运、化学传感、模拟酶催化有机化学反应等方面亦有光明的应用前景。本文根据酰胺、脲与硫脲、吲哚吡咯、三氮唑、铵盐、胍盐、咪唑、羟基等不同的氢键单元,总结基于氢键的阴离子识别主体分子的研究进展。

萘酰亚胺-卟啉星型电子受体分子的构筑及其在非富勒烯太阳能电池中的应用

非富勒烯太阳能电池目前已经成为有机太阳能电池的研究热点,大量的共轭电子受体分子被开发,并成功应用到高性能光伏器件中。共轭分子作为非富勒烯电子受体,需要综合考虑吸收、能级、电子传输以及结晶性等,其中宽吸收光谱可以提高对太阳光谱的利用,是分子设计中重要因素之一。本工作中,我们设计一种新型电子受体分子,以卟啉为核、萘酰亚胺为端基以及炔为桥连基团。这种新型分子具有近红外的吸收光谱以及合适的能级。将一种具有吸收互补的共轭聚合物为电子给体,星型分子为电子受体应用到电池的活性层中,我们获得了1.8%的能量转换效率,电池的光谱响应为300–900 nm。实验结果证明了这种以卟啉为核的分子设计在实现近红外吸收的电子受体方面具有重要应用前景。

14族杂环戊二烯分子(硅、锗、锡)的电子结构与光谱性质(英文)

14族杂原子取代的杂环戊二烯分子具有独特的光谱性质,成为发光材料的明星分子.为了更深层次地理解硅、锗、锡杂环戊二烯分子的光谱性质,本文从理论上计算了它们的电子结构及其吸收和发射光谱.分别采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT),优化了硅、锗、锡杂环戊二烯分子基态和第一激发态的平衡构型,计算了电子结构和振动性质.在此基础上,运用振动关联函数公式计算了吸收光谱和发射光谱.得到的吸收光谱和发射光谱,特别是发射光谱的半峰宽与现有的实验值吻合很好.通过分析结构和光谱性质的关系,指出光谱的性质主要取决于苯环转动对应的低频振动模式和中心环C—C键的伸缩振动对应的高频振动模式.

氮掺杂石墨烯的p型场效应及其精细调控（英文）

石墨烯因独特的性质和潜在的应用在过去十年受到广泛重视。得益于石墨烯研究的繁荣,氧化石墨烯作为石墨烯的最常见的衍生物,近年来也获得广泛的研究。氧化石墨烯不仅可以通过高温退火还原得到光电性质都类似石墨烯的还原氧化石墨烯,而且因其结构中存在羧基、羰基和羟基等含氧基团,为石墨烯的性能调控提供了可能。常见的做法是通过引入外来原子比如氮原子来调控石墨烯的化学催化和光电性质。然而至今在氮掺杂石墨烯的研究中,氮的类型和所处化学环境对石墨烯电学性能的影响尚不清楚,而这会影响石墨烯后续的电学和催化应用。因此,合成特定类型的氮掺杂石墨烯并研究其对后续应用的影响是必要的。我们通过氧化石墨烯和邻芳基二胺的希夫碱缩合反应成功合成了吡嗪和吡啶氮掺杂石墨烯,研究了氮的类型对石墨烯电学性能的影响。吡嗪氮掺杂的石墨烯表现出弱的n型掺杂,而强吸电子的三氟甲基基团的引入,会让吡嗪氮掺杂的石墨烯由弱n型掺杂转变为明显的p型掺杂。当在吡嗪氮中同时引入吡啶氮时,石墨烯也表现为弱的p型掺杂。因此,石墨烯的性能可以通过控制吸电子基团和掺杂不同类型的氮来实现精细调控,从而为石墨烯的应用提供更多潜在可能。

基于蒽衍生高迁移率发光材料的研究进展

高迁移率发光有机半导体材料是实现有机发光场效应晶体管(OLETs)的重要材料,但其设计合成面临巨大挑战.本文综合评述了近年来高迁移率发光材料,特别是基于蒽的高迁移率发光材料的研究进展,重点介绍了目前报道的20余种基于蒽的高迁移率发光有机半导体材料,包括分子的设计策略\,相关的光电性能及其在OLETs器件方面的应用研究,以便为进一步的相关研究提供有意义的指导和借鉴.本文还对该领域未来发展的挑战、发展方向及机遇进行了简单评述.

用耦合簇运动方程计算分子的多光子吸收截面

简短评述了多光子吸收过程的原理与应用.由于该过程的高度非线性,对于分子的高激发态性质的描述要求很高,因为从本质上讲,这涉及到从低激发态到高激发态的跃迁过程.我们提出了用耦合簇运动方程方法并结合半经验哈密顿参数来计算大分子体系的多光子吸收截面.以蒽-卟啉-蒽分子为例,从激发态之间的跃迁密度分析发现,分子内电荷转移过程可以极大地增强三光子吸收.

基于小分子NDT高效异质结的超快动力学研究(特邀)

利用飞秒瞬态吸收光谱对三个经不同处理且光电性能有明显差异的NDT基异质结薄膜(无己基取代混合膜,己基取代混合膜以及己基取代并做溶剂退火处理的混合膜)进行了研究。结果显示这三个异质结薄膜,其电荷分离态大部分都是由激子态直接演化来的,并没有经过电荷转移态。在这三个混合膜中,己基取代并做溶剂退火处理的混合膜表现出最大电荷分离产率,己基取代但不经过溶剂退火处理的混合膜拥有最长的电荷分离态寿命。结合它们的电子-空穴迁移率,从动力学的角度给出了己基取代及溶剂退火处理增强光电转换效率的原因在于提高了电荷分离态寿命、增强了电荷分离产率以及平衡了电子-空穴迁移率。此研究可为将来优化光电转换效率提供参考。

细胞内原位纳米催化在疾病诊断与治疗中的应用

纳米催化剂因其经济、稳定以及可量产等优势,实现了细胞内原位催化反应,为分子水平人工调控细胞功能提供了可能.人工纳米催化剂优异的催化性能使其在不同生理和病理条件下成功用于诊断成像和治疗.本文综合评述了具有天然酶活性的纳米催化剂在癌症和氧化应激治疗以及基于纳米催化剂介导的细胞内原位催化反应的精准诊断成像方面的主要研究进展,并对纳米催化剂在未来生物医药领域应用中面临的挑战和机遇进行了展望.

分子基材料聚集态结构的场发射性质研究

场发射在扫描电子显微镜、平面显示器、压力传感器、加速度传感器以及电子束可寻址记忆器件等许多领域中得到了广泛的应用,分子基材料由于其结构和能带可设计,性质可调和柔性易加工等显著特点,被认为是新一代的场发射材料。本文综述了近年来分子基材料聚集态结构的场发射性质研究的新进展,特别是分子基材料的结构和聚集态形貌和尺寸对场发射性质的影响以及通过对分子基材料的杂化优化其场发射的性质,展望了分子基材料聚集态结构场发射的应用前景和发展趋势。

从导电聚吡咯到共轭聚合物光伏材料——我在中科院化学所30年共轭高分子研究历程

本文简要回顾了本人在中科院化学所30年的研究历程,重点介绍了在共轭高分子(包括导电聚吡咯电化学、聚合物发光电化学池(LEC)和共轭聚合物给体光伏材料)方面的研究成果。在导电聚吡咯电化学方面,对导电聚吡咯的电化学制备和电化学性质进行了深入研究,阐明了各种电化学聚合条件对制备的导电聚吡咯电导和力学强度等的影响,发现电解液溶剂给电子性(Donor number)对吡咯电化学聚合制备的导电聚吡咯电导的影响:溶剂Donor number越小制备的导电聚吡咯电导越高;使用非离子表面活性剂添加剂在水溶液中制备出表面非常光滑和高力学强度的导电聚吡咯薄膜;对于吡咯电化学聚合提出了电解液阴离子参与的阳离子自由基聚合机理,并推到出吡咯电化学聚合反应的动力学方程;发现在NaNO3水溶液中电化学聚合制备的导电聚吡咯除存在主链氧化、对阴离子掺杂结构外,还存在质子酸掺杂结构;阐明了导电聚吡咯在水溶液中电化学还原和再氧化的机理及其电化学过程的可逆性和稳定性,以及导电聚吡咯在有机电解液中特殊的第一次还原和再氧化的机理。在LEC方面,通过交流阻抗法确认了LEC的电化学掺杂机理和p-i-n结构,合成了多种适用于LEC的主链带离子导电单元的兼具离子导电性的发光嵌段共聚物,避免了LEC活性层中存在的发光聚合物和离子导电聚合物的分相问题;使用离子液体作为电解质制备了室温准冷冻p-i-n结LEC,改善了LEC的电致发光性能。在共轭聚合物给体光伏材料方面,我们提出了通过共轭侧链来拓宽聚合物吸收和提高空穴迁移率的分子设计思想,设计和合成了一系列带共轭侧链的二维共轭聚噻吩衍生物以及基于二噻吩取代苯并二噻吩的窄带隙高效二维共轭聚合物给体光伏材料。我们使用烷硫基取代进一步降低了这类二维共轭聚合物的HOMO能级从而进一步提高了其光伏性能。最后介绍了本组二维共轭聚合物给体光伏材料在非富勒烯聚合物太阳能电池方面的最新研究进展。

碳-氢键活化在有机半导体合成方面的应用

介绍了碳-氢键活化发展历程、典型的反应机理,综述了碳-氢键活化应用于制备有机小分子和聚合物半导体的研究进展,详细探讨了碳-氢键活化的适用性以及有机半导体的器件性能.

基于窄带系DPP类聚合物的高性能近红外有机光探测器件

采用窄带隙给体材料DPPDTT和富勒烯衍生物受体PCBM共混作为活性层,制备了具有高激子分离和电荷传输效率的近红外有机光探测器件,并进一步采用窄带隙受体Y6代替PCBM制备一种“双窄带隙吸收”的异质结结构,在近红外区域的吸收叠加有效地增强了器件光响应能力.最后,通过采用厚活性层、插入阻挡层以及制备倒置结构等方法,将器件的暗电流进一步降低1个数量级.在850 nm,0.53μW·cm^(−2)的近红外光照射下,比探测率提升至8.28×10^(11)Jones.同时,随着测量频率的提升,器件响应的速度和强度几乎没有发生变化,在120帧/秒的条件下仍表现出很好的循环稳定性.研究结果表明该类器件在光电通信、近红外成像以及医疗生理检测等方向具有良好的应用前景.

共轭聚合物和共轭有机分子电子能级的测量

近年来,有机发光二极管(OLED)和有机太阳电池(OSC)等有机光电器件步入快速发展阶段,受到广泛关注.而有机半导体的电子能级(HOMO和LUMO能级)与电极功函数的匹配对其光电性能至关重要,它决定着OLED电极电荷注入的能垒和OSC电极电荷收集的能垒.另外,OSC中给体材料和受体材料电子能级的匹配对其光伏性能也非常重要.因而,准确测量有机半导体光电材料的电子能级非常重要.本文将介绍测量有机半导体电子能级常用的紫外光电子能谱和电化学方法,从测量原理、样品制备、测量注意事项等方面详细介绍了有机半导体电子能级的测量与计算.我们给出了几个共轭聚合物和共轭有机小分子等有机半导体电子能级测量的实例,并列举了部分典型有机半导体材料已报道的电子能级数据以供读者参考.

荧光无机/有机杂化纳米分子口袋的构建

利用能量匹配原则将无机半导体ZnO纳米粒子与有机半导体四苯基卟啉四羧酸(TCPP)分子进行组装,在无机-有机组分之间的界面构建了杂化纳米分子口袋ZNPs-TCPP,该纳米分子口袋对四苯基卟啉(TPP)分子具有高选择性识别功能,同时其荧光增强了5倍以上,并成功地将该杂化纳米分子口袋用于肺腺癌细胞(A549)的细胞成像.