中国科学院大学黄辉教授课题组：基于“非共价构象锁”的高性能共轭材料
载流子迁移率是有机半导体材料的重要性能参数，载流子在有机半导体材料中的迁移主要通过电荷在共轭分子间的“跃迁”来实现。具有共平面构象的分子有利于电子的离域，同时有助于形成较紧密的分子堆积，有利于电荷的跃迁。为了提高共轭体系的共平面性，避免单键相连的相邻芳香环自由旋转，同时通过共价键将相邻的芳香环用C、Si或者N原子连接起来，形成具有较高刚性、较好平面性的稠环结构成为制备有机半导体材料的关键。但该方法通常在合成中具有较大的难度，同时会增加材料的成本，不利于有机半导体的发展。
为了克服该方法的局限性，2012年，中国科学院大学黄辉教授通过过渡金属催化的烯烃复分解反应，设计合成了具有氧-硫非成键作用结构的噻吩乙烯模块，通过非成键作用力阻止单键的旋转，从而提高共轭分子的共平面性；相对于成键作用力，非成键作用力的引入可以避免复杂的合成路线。该方法提高了共轭材料的共平面性和载流子迁移率，从而使相关光电器件的性能得到大幅度提升；黄辉教授与美国西北大学的Tobin Marks教授等合作将这种分子内非共价键作用力定义为“非成键构象锁”（J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 10966; Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 2782）。近年来，这一概念得到学术界的广泛认可，并逐渐成为设计高性能共轭半导体材料的重要策略之一。
近期，黄辉教授领导的研究团队进一步发展了“非成键构象锁”的概念，研究了S•••O、Se•••O、S•••N等“构象锁”的引入对光电性能的影响（Mater. Chem. Front., 2017, 7, 1317; J. Mater. Chem. A, 2017, DOI: 10.1039/c7ta05774a; Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.20160625）。研究结果表明，S•••O、Se•••O、S•••N等“构象锁”的引入提高了共轭分子的平面性和刚性，从而降低重组能，并提高材料的迁移率，最终在场效应管和太阳能电池中都表现出优异的性能。
基于在非成键“构象锁”概念的原创性贡献以及多项开拓性工作，黄辉教授作为第一作者与通讯作者，与Tobin Marks教授、Antonio Facchetti教授应邀共同为著名综述期刊Chemical Reviews撰写题为Organic and Polymeric Semiconductors Enhanced by Noncovalent Conformational Locks 的综述，较全面地阐述了“非成键构象锁”的理论基础、研究进展和未来展望，为这一概念的进一步发展与应用奠定了基础。该综述较为全面地总结了S•••O、S•••X(X = F, Br, etc.)、S•••N、N•••H、O•••H等非成键“构象锁”在高性能有机小分子/高分子材料中的广泛应用，并为设计和构建新型“构象锁”材料提供了理论基础和设计思路。
该工作得到国家自然科学基金委（51301380和21574135）、北京市自然科学基金（2162043）和中国科学院百人计划项目、中科院前沿局重点研发计划-青年拔尖科学家的资助。
论文链接：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.7b00084
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