复旦大学先进晶体管材料与器件实验室
暨 复旦大学魏大程课题组
Advanced Transistor Material and Device Laboratory & Wei's Group @ Fudan University

《Chem Mater》“超临界溶剂热法”实现三维共价有机框架单晶的快速制备

信息技术革命推动着信息社会的进步,而信息社会的进步离不开光电科学的发展。作为光电科学的重要分支,光电器件材料的升级和更新换代具有重要的理论及现实意义。传统光电器件主要使用单晶硅等无机半导体材料,而对有机高分子半导体材料,例如共价有机框架(COFs)材料等使用较少,主要因为有机高分子材料的结晶性较差、单晶尺寸小、结构-性质关系不清晰,因此极大影响了光电器件性能。


COFs材料是一种新型的多孔有机聚合物晶体材料,分为二维(2D COFs)和三维(3D COFs)两种,通常由小分子单体通过可逆反应聚合而成,具有密度低、孔隙率高、结构可控、功能可调等优点,因此被广泛应用于气体吸附与分离、催化、膜过滤以及光电器件等领域。COFs材料结构的有序性对其性质有较大影响,目前制备COFs材料的常用方法为溶剂热法,该方法通常需要高温,并且反应时间长,影响大规模制备及其潜在应用,特别是对3D COF单晶的制备,通常需要较长时间。3D COF单晶的快速制备仍是该领域的一大挑战。


复旦大学魏大程团队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。针对这一难题,魏大程团队近期在Chemistry of Materials上以“Ultra-Fast Synthesis of Single-Crystalline Three-Dimensional Covalent Organic Frameworks and Their Applications in Polarized Optics”为题报道了超临界溶剂热法快速制备3D COF单晶,在1-5分钟的时间内,得到的3D COF单晶的最大尺寸可以达到0.11毫米,比传统溶剂热法聚合速率提高了2-5个数量级。


孙江 彭兰 3D COF.jpg

图:3D COF单晶的快速制备、形貌表征及其在偏振光学的应用


研究发现,由于传统有机溶剂具有较大的表面张力和粘度,导致反应单体扩散受阻,反应位点处单体浓度较低,从而影响反应的进行。而超临界流体的表面张力近乎为零,粘度极低,从而有利于反应单体的扩散,使得反应位点处有充足的单体进行聚合,这既加快了反应速率,同时也提高了所得COFs材料的单晶尺寸。本研究得到的3D COF单晶展现了偏光荧光及二次谐波效应,为3D COF单晶材料在非线性光学的应用打下了基础。


复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室为第一单位;复旦大学高分子科学系博士研究生彭兰、博士后孙江为共同第一作者;魏大程研究员为通讯作者。复旦大学材料科学系刘云圻院士、物理系季敏标教授、物理系晏湖根教授等参与了该研究。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委、中科院先导计划和复旦大学的支持。


课题组主页:www.weigroupfudan.com


论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.1c02382


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