華南理工大學材料科學與工程學院/發光材料與器件國家重點實驗室副教授李遠課題組提出了一種基於“給體—受體”型“開殼自由基”電子自旋基態的分子設計策略，相關成果近日發表於《自然—通訊》。華南理工大學陳仲鑫博士為論文第一作者，李遠副教授、黃飛教授和美國密西西比州立大學助理教授Neeraj Rai為通訊作者。
近30年來，有機半導體基光電材料經歷了長足的發展，經典的“給體—受體”結構設計是實現窄帶隙有機半導體最為重要和有效的策略之一。這類“給體—受體”有機半導體具有優異的穩定性，被廣泛應用於有機光電、熱電、光熱轉換、自旋電子學及熒光生物成像等眾多前沿熱門領域。關於有機半導體材料和器件的理論較為豐富，然而基於新原理開發新穎的有機光電材料是當前該領域的重點和熱點。
近4年，李遠課題組在設計和合成大量基於“給體—受體”結構的開殼型型窄帶隙有機半導體的基礎上，利用變溫核磁共振、變溫電子自旋共振、超低溫和高溫超導量子干涉儀、單晶X射線衍射、昇華提純實驗，HPLC純度驗證，同分異構體對照等多種研究手段，在實驗上對其電子自旋基態進行了嚴格的論證。
同時，藉助經典自由基理論計算工具，對該系列分子的雙自由基特徵指數（Diradical character index，y0) 計算表明，這類有機半導體的y0值可在20%至40%之間有效調控，繼續延長共軛可提升至66.5%。此外，研究者對基態的“單線態（S0）—熱激發三線態（Tt）能級”、NICS、ACID等進行了計算，進一步佐證了其開殼電子自旋基態結構。
據悉，“開殼自由基”分子因具有獨特的物理化學性質，在有機光電子學、自旋電子學、生物醫學及量子計算等多個領域具有潛在的應用場景。自1907年以來，大多數的“開殼雙自由基”材料是基於多環芳烴、醌式對二甲苯醌等體系；目前，基於這類體系的材料的合成方法和應用不斷取得新突破，而提升材料穩定性依然是該領域重要挑戰之一。
該研究工作提出了一種基於經典“給體—受體”結構的穩定窄帶隙“開殼自由基”的分子設計策略。
相關論文資訊：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26173-3
