复旦大学先进晶体管材料与器件实验室
暨 高分子科学系魏大程课题组
Advanced Transistor Material and Device Laboratory & Wei's Group @ Fudan University
论文列表

《自然通讯》魏大程团队提出“超临界溶剂热法”将单晶聚合反应速率提高十万倍

现代信息技术与材料科学密切相关。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。单晶生长需要物理或化学的可逆修复过程。单体通过聚合反应形成共价键连接的聚合物。在聚合反应过程中,利用共价键的断裂和重连修复缺陷生长出聚合物单晶非常困难,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。微米级COFs单晶需要15~80


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《自然通讯》(Nature Communications)以《大尺寸共价有机框架的超快单晶聚合》(“Ultra-Fast Single-Crystal Polymerization of Large-Sized Covalent OrganicFrameworks”)为题报道了一种超临界溶剂热法,极大提高了单晶聚合速率,将COFs单晶聚合时间由文献Science 2018, 361, 52; Science 2018, 361, 48报道的15~80天的缩短到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。


该课题组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。


1.jpg

图: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FP-TRMC表征


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为第一作者;魏大程研究员为通讯作者。日本京都大学Shu Seki教授等开展了FP-TRMC实验,复旦大学物理系晏湖根研究员等表征了偏光荧光光谱。复旦大学材料科学系刘云圻院士、华东理工大学赵玲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。


论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-021-24842-x


文章分类: 组内新闻科研亮点
分享到: