唐本忠院士團隊Adv. Funct. Mater.：苝二酰亞胺取代的三苯乙烯有機發光材料及其性能研究

【引言】

有機分子半導體材料在有機發光二極管(OLED)，有機場效應晶體管(OFET)和有機光伏(OPV)等先進柔性光電子器件中有著重要的應用。盡管研究人員開發了具有高遷移率和高發光量子效率的分子半導體并用作OFET和OLEDs，但同時具有高電荷遷移率和高發光效率的半導體材料的發展仍然是一個巨大的挑戰。
苝二酰亞胺(PDIs)和萘二酰亞胺等亞芳基二酰亞胺由于其原料易得，化學合成簡單且易修飾，高電子遷移率和優異的化學/光穩定性等優點，被廣泛用于構建OFETs和OPVs等半導體器件。然而，在大多數情況下，它們的大π-骨架和強π-π分子間相互作用會減弱其固態發射。近日，有學者將不同數目的PDI單元連接到三苯基乙烯（TriPE）骨架來解決分子間相互作用對熒光的猝滅問題，從而實現了同時具有高遷移率和強熒光發射的半導體材料。

【成果簡介】

近日，來自香港科技大學的唐本忠院士(通訊作者)和趙征博士（第一作者）以及上海有機化學研究所的高希珂教授 (共同通訊作者)等人在Adv. Funct. Mater.上發布了一篇關于有機分子半導體材料的文章，題為“Rational Design of Perylenediimide-Substituted Triphenylethylene to Electron Transporting Aggregation-Induced Emission Luminogens (AIEgens) with High Mobility and Near-Infrared Emission”。

這篇文章介紹了具有不同數量苝二酰亞胺(PDI)單元的三苯基乙烯的合成過程，并對其光學和電荷輸運性能進行了系統的研究。所有的分子均表現出強固態近紅外(NIR)發射，其中一些顯示出聚集增強的發光特性。TriPE-3PDI表現出最好的性能，30％的最大熒光量子產率和超過0.01cm² V^-1s^-1的電子遷移率，這是迄今為止所有報道的具有近紅外發射聚集誘導發光體中的最高值。

【圖片導讀】

圖1 TriPE-nPDI光學性能表征

(a,c) 紫外光譜；

(b,d) 光致發光光譜。

圖2 TriPE-nPDIs聚集誘導發光特性表征

(a) TriPE-1PDI在不同正己烷/己烷混合物中的PL光譜；

(b) TriPE-2PD在不同正己烷/己烷混合物中的PL光譜；

(c) TriPE-3PDI在不同正己烷/己烷混合物中的PL光譜。

(d-f) 在365nm紫外線照射下所對應的熒光照片。

圖3 基態(S0)和激發態(S1)的電子結構

(a) TriPE-1PDI和TriPE-2PDI的激發態電子密度分布和能級；

(b) 重整能示意圖；

(c) 在S1處的TriPE-1PDI和TriPE-2PDI以及在S0處的TriPE-3PDI的幾何構型。

圖4 TriPE-nPDI的電子傳輸性質

(a-b) 基于TriPE-3PDI的OFET器件的輸出和轉移曲線；

(c-d) 140℃下退火的TriPE-3PDIL的輸出和轉移曲線。

圖5 TriPE-nPDI原始薄膜的AFM圖像和XRD衍射圖

(a-h) TriPE-1PDI、TriPE-2PDI、TriPE-3PDI和TriPE-3PDIL的AFM圖像；

(i-l) TriPE-1PDI、TriPE-2PDI、TriPE-3PDI和TriPE-3PDIL的XRD圖譜。

【小結】

這篇文章介紹了一系列PDI取代的TriPE，并研究了PDI取代對其熒光和電荷傳輸性質的影響。結果表明，具有更多PDI基元和中等扭曲構象的發光體促進了強發射和電荷轉移。 所有合成的分子均具有NIR發射和n溝道電荷輸運性質，優化后的電子遷移率超過0.01cm²V^-1s^-1，最大量子產率為30％。

文獻鏈接：Rational Design of Perylenediimide-Substituted Triphenylethylene to Electron Transporting Aggregation-Induced Emission Luminogens (AIEgens) with High Mobility and Near-Infrared Emission (Adv. Funct. Mater., 17 January, 2018 , DOI: 10.1002/adfm.201705609）

【課題組長及團隊介紹】

唐本忠，中國科學院院士，香港科技大學張鑒泉理學教授、化學系與生物醫學工程系講座教授，華南理工大學-香港科技大學聯合研究院院長。1957年出生于湖北省潛江市；1982年于華南理工大學獲學士學位，1985年、1988年先后獲日本京都大學碩士、博士學位；曾在多倫多大學從事博士后研究工作。1994年7月加盟香港科技大學，2015年在華南理工大學組建人體組織功能重建國家工程技術研究中心支持下獲批香港分中心，并任主任一職。2009年增選為中國科學院院士，2013年入選英國皇家化學會Fellow。現為科技部973計劃項目首席科學家、國家自然科學基金基礎科學中心項目負責人、廣東省引進創新科研團隊帶頭人、華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室學術委員會主任，以及中國化學會和英國皇家化學會聯合期刊Materials Chemistry Frontiers主編。
作為AIE概念的提出者和研究的引領者，唐本忠教授累計發表學術論文約1000篇，引用50000余次，h-指數為110，并于2014-2017年連續入選化學和材料雙領域高被引用科學家。同時，唐本忠教授先后獲得多項榮譽及獎勵，如國家自然科學一等獎（2017），何梁何利科學與技術進步獎（2017）、第27屆夸瑞茲密國際科學獎（2014）、美國化學會高分子學術報告獎（2012）、國家自然科學二等獎（2007）、裘槎高級研究成就獎（2007）、中國化學會高分子基礎研究王葆仁獎（2007）和愛思唯爾出版社馮新德聚合物獎（2007）等。同時，AIE作為由中國科學家開創和引導的新領域，也吸引了來自全球科學家的研究興趣和前沿商業的關注，發表的論文數和引用數均呈指數增長，80余個國家和地區的1500余家研究單位的科學家的關注和跟進此工作。
唐本忠教授團隊長期致力于有機光電功能材料的開發及其在生物醫用領域及光電器件方面的應用研究，其所提出的原創性的“聚集誘導發光（AIE）”材料體系及其相關應用入選中科院文獻情報中心和湯森路透聯合發布的《2015年科學研究前沿》，并位于化學與材料學研究熱點的第二位。此外，AIE材料在有機發光二極管，有機發光晶體管，有機光波導，有機光開關以及有機發光液晶等方面均表現出良好的應用潛質，將有力地推動這些相關領域和相關研究的飛速發展。基于AIE在原創性概念和基礎研究方面的重大突破，唐本忠院士團隊被授予“2017年度國家自然科學一等獎”。

【相關優質文獻推薦】
1. Furan Is Superior to Thiophene: A Furan-cored AIEgen with Remarkable Chromism and OLED Performance
Adv. Sci. 2017, 4, 1700005.
2. Multiple yet Controllable Photoswitching in a Single AIEgen System.
J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI: 10.1021/jacs.7b13364.
3. Highly Efficient Nondoped OLEDs with Negligible Efficiency Roll-Off Fabricated From Aggregation-Induced Delayed Fluorescence Luminogens
Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 12971.
4. White Light Emission from a Single Organic Molecule with Dual Phosphorescence at Room Temperature
Nature Commun. 2017, 8, 416.
5. Why Do Simple Molecules with ‘Isolated’ Phenyl Rings Emit Visible Light? J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 16264.
6. Spontaneous Amino-Yne Click Polymerization: A Powerful Tool toward Regio-and Stereo-specific Poly(β-aminoacrylates)
J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5437.

本文由材料人編輯部納米學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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