超分子組裝結構揭示團簇分子基硫族化合物的光電響應與光電穩定性之間的平衡因素

最新 09-06

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金屬硫族化合物是一類非常重要的半導體材料，近十年來基於此類材料的光電器件研究持續升溫。器件結構的小型化對這類材料的光電穩定性提出了更多的要求，這主要源於納米化的金屬硫化合物更易受到外界環境的影響（如光照、氧化等）。為實現此類材料的光電穩定性，人們一般採用具有光電活性的有機小分子穩定其表面結構。不同的修飾分子可對金屬硫族化合物的載流子傳輸效率（光電響應能力）與光電穩定性產生不同的影響。因此，選擇合適的有機分子可實現器件性能的平衡與優化。

構建精確的「構-效」關係可為上述優化提供重要的依據。蘇州大學的吳濤團隊一直致力於利用晶態硫族納米團簇為結構平台，研究其光電性能中的精確「構-效」關係。近期，該團隊通過[Ge4S10]4-陰離子團簇（T2）、紫精雙陽離子分子（RV2+）（R為取代基）共結晶的方式詳細研究了具有不同取代基的紫精分子對金屬硫族化合物雜化結構、組裝方式及光電性能的影響。在不同取代基的影響下，T2可與RV2+共結晶形成一系列結構精確可知的超分子組裝體T2@RV。隨著RV2+中取代基分子量的增加，T2負電中心S2-與RV2+正電中心N+之間的靜電相互作用逐漸減弱（表現為作用距離逐步增加）。同時，雜化結構中T2附近的位阻效應逐步增加。上述精細結構變化導致T2@RV光電響應能力逐步減弱、光電穩定性逐步增強。在所有的雜化結構中，T2與苄基紫精的共結晶產物T2@BV不僅具有適中的光電響應電流，而且表現出較好的光電穩定性。

該研究結果有利證明了合理的取代基是平衡該類材料光電響應能力及光電穩定性的重要因素。同時，該研究結果可為利用紫精衍生物穩定金屬硫族化合物的研究提供精確的「構–效」關係。如在基於MoS2薄片的器件穩定性研究中，苄基紫精的引入可有效提升MoS2器件在空氣中的穩定性。根據T2@RV光電響應能力與光電穩定性之間的特定關係，在上述的研究基礎上，研究人員可有目的地嘗試位阻略小的紫精衍生物，從而進一步提升器件的響應能力。

此外，利用一系列結構與組分精確可調的納米團簇為研究對象，該課題組還詳細研究了單Cu+摻雜及單Mn2+精確摻雜對團簇光電響應、光致發光、電化學發光性能的影響。相關研究結果發表情況如下：J. Am. Chem. Soc.,2013,135, 10250?10253;J. Am. Chem. Soc.,2014,136, 4769?4779;J. Mater. Chem. C,2016,4, 1645—1650;J. Phys. Chem. C,2016,120, 29390?29396;J. Am. Chem. Soc.,2016,138, 7718?7724。除光電性能之外，這種半導體納米團簇同樣可用於電催化方向的研究，相關工作正在進行之中。該研究成果近期發表在Inorganic Chemistry上，文章的第一作者是蘇州大學2014級的博士研究生林堅。

該論文作者為：Jian Lin, Zhixing Fu, Jiaxu Zhang, Yujia Zhu, Dandan Hu, Dongsheng Li and Tao Wu

Substituent-Modulated Assembly Formation: An Approach to Enhance Photostability of Photoelectric-Sensitive Chalcogenide-Based Ion-Pair Hybrids

Inorg. Chem.,2017, DOI: 10.1021/acs.inorgchem.6b03061

導師介紹

吳濤

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