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复旦大学魏大程团队将单晶聚合反应速率提高近十万倍

上世纪五十年代以来,基于半导体材料的晶体管和集成电路深刻地改变了人类社会。高性能晶体管和电子芯片往往需要使用高质量晶体材料。现有的芯片技术主要采用单晶硅,而未来的智能芯片有可能使用聚合物半导体等新材料。合成高质量聚合物晶体对于未来电子学的发展具有重要意义。单晶生长通常信奉“慢工出细活”,因为大尺寸单晶的生长需要不断进行试错修复。聚合物单晶的合成尤为困难,需要非常精细的合成调控和较长的修复时间才能得到稍大尺寸的聚合物单晶,通常只能得到无定形或者多晶结构,特别是对于共价有机框架(COFs)等具有复杂拓扑结构的聚合物半导体材料。COFs是一种由有机单元构筑、共价键连接形成的多孔晶态聚合物。传统方法通常需要数天才能得到几十到几百纳米的COFs晶粒。


最近,复旦大学高分子科学系魏大程点击查看介绍)课题组解决了这一难题。他们提出“超临界溶剂热法”将COFs单晶合成时间从文献Science2018361, 52; Science2018361, 48)报道的15~80天缩短到2~5分钟。研究发现,超快单晶聚合得益于超临界流体所具有的低表面张力、低粘度和高扩散系数等特性。相较于有机溶剂,超临界流体表面张力近乎为零,粘度极低,有利于反应单体的扩散,加快了聚合速率,提高了反应的可逆性。2D COFs单晶尺寸达到0.2 毫米,晶体生长速率约40微米每分钟,较现有2D COFs单晶生长方法提高了约100,000倍,较其他超快2D COFs多晶或纳晶生长技术提高了约6,000倍, 是目前报道的最快单晶聚合速率。

图1. “超临界溶剂热法”机理以及COFs单晶的高分辨透射电镜、偏光显微镜和光电导率表征


该团队通过荧光显微学和闪光光解时间分辨微波电导率(FP-TRMC)研究,发现大尺寸COFs单晶具有偏光荧光发射和高光电导率等特性。“超临界溶剂热法”极大缩短了反应时间,聚合物单晶尺寸大、质量高,合成过程无需大量有机溶剂,绿色环保,成本低,与现有化工过程兼容,解决了高质量聚合物单晶快速合成的难题,首次实现了大尺寸聚合物单晶的分钟级合成,为这类新型材料的应用奠定了基础。


这一成果最近发表在Nature Communications 上,文章的第一作者是复旦大学博士研究生彭兰


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Ultra-fast single-crystal polymerization of large-sized covalent organic frameworks

Lan Peng, Qianying Guo, Chaoyu Song, Samrat Ghosh, Huoshu Xu, Liqian Wang, Dongdong Hu, Lei Shi, Ling Zhao, Qiaowei Li, Tsuneaki Sakurai, Hugen Yan, Shu Seki, Yunqi Liu & Dacheng Wei 

Nat. Commun., 202112, 5077, DOI: 10.1038/s41467-021-24842-x


魏大程简介


担任复旦大学高分子科学系和聚合物分子工程国家重点实验室研究员、博士生导师。2009年于中国科学院获得博士学位,2009年至2014年在新加坡国立大学和斯坦福大学从事研究。2014年3月加入复旦大学,入选巴渝学者讲座教授、中国高被引学者。2019年获国家自然科学奖二等奖。


魏大程课题组长期致力于研究新型场效应晶体管材料、晶体管设计原理以及晶体管在光电、化学和生物传感等领域的应用。在Sci. Adv., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed, ACS Nano, Nano Lett., Acc. Chem. Res., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等期刊上发表论文90余篇,授权专利17项,参与编撰专著2 部。多次被Nature Publishing Group, Springer 等出版社选为亮点报道,一项重要成果写入ITRS(国际半导体发展路线图)。


魏大程

https://www.x-mol.com/university/faculty/62604 

课题组主页

www.weigroupfudan.com 


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