ACS AMI┃硼氮配位键n-型稠环分子是n-型有机热电材料

英文原题：B←N-Incorporated Dibenzo-azaacenes as n‑Type Thermoelectric Materials

通讯作者：刘俊，中科院长春应化所

作者：Yang Min, Changshuai Dong, Hongkun Tian, Jun Liu and Lixiang Wang

有机热电材料因具有柔性、易于加工以及低毒性等优点在可穿戴柔性电子器件以及自供电传感器等领域展现出巨大的应用前景。有机热电器件实现高效有机热电转换效率的先决条件，是同时需要高性能的p-型有机热电材料与n-型有机热电材料的协同作用。然而，n-型有机热电材料的发展远远滞后于p-型，不仅文献中缺乏n-型热电材料，而且这些已报道的少数n-型材料的热电性能较低。这些因素限制了有机热电材料与器件的发展。因此，发展新型n-型高性能有机热电材料至关重要。

中科院长春应化所刘俊研究员（点击查看介绍）团队近期提出，采用硼氮配位键构建n-型有机半导体的分子设计策略，在大尺寸稠环芳烃中引入硼氮配位键，开发出具有高电子亲和势的n-型稠环芳烃，并将其作为电子传输材料运用于n-型有机场效应晶体管器件，并且获得了超过了1.0 cm² V^–1 s^–1的电子迁移率，达到了非晶硅的水平，这为n-型有机半导体材料提供了新的材料体系以及设计新思路（Liu et al. Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 2000–2004; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 17015–17021; Chem. Eur. J., 2021, 27, 4364–4372, etc）。

近日，他们发现含硼氮配位键的n-型稠环芳烃可以实现有效的n-型掺杂，并将其作为n-型有机热电材料首次运用于有机热电器件中。硼氮配位键可以降低稠环芳烃的LUMO能级，这可以有效促进n-型掺杂；平面刚性稠环结构可以提供紧密的分子堆积，保证良好的电荷传输性质。如图1所示，理论计算发现其阴离子自由基很好地离域于整个分子骨架上。

图1. 硼氮配位键n-型稠环芳烃的化学结构以及计算的电子自旋密度分布

当和典型的n-型掺杂剂N-DMBI共混之后，EPR测试出现明显的阴离子自由基信号，同时UV-vis-NIR测试发现在1500~2500 nm之间出现新的吸收峰，同时主峰吸收强度降低，这表明硼氮配位键n-型稠环芳烃与N-DMBI之间发生了电荷转移，证明其易于实现n-型掺杂（图2）。测试的电导率从10^–7 S cm^–1增加到0.01 S cm^–1，提升了5个数量级。

图2. 硼氮配位键n-型稠环芳烃掺杂前后的EPR信号图和UV-vis-NIR吸收光谱

进一步制备了硼氮配位键n-型稠环芳烃的有机热电器件（图3），塞贝克系数为–244.4 μV K⁻¹，功率因子为0.06 μW m⁻¹ K⁻²。这个工作不仅报道了一类新型n-型有机热电材料，同时也为n-型有机热电材料的开发提供一种新的设计策略。

图3. 有机热电器件结构示意图以及热电性能

以上研究工作近期发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。该论文的第一作者为中科院长春应化所博士生闵阳，中科院长春应化所刘俊研究员是论文的通讯作者。

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B←N-Incorporated Dibenzo-azaacenes as n-Type Thermoelectric Materials

Yang Min, Changshuai Dong, Hongkun Tian, Jun Liu*, and Lixiang Wang

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 33321–33327, DOI: 10.1021/acsami.1c08514

Publication Date: July 6, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

导师介绍

刘俊

https://www.x-mol.com/university/faculty/15731 

（本稿件来自ACS Publications）