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Nature子刊:有机2D晶体中高效光电转换

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二维聚合物(2DPs)及其层状堆叠的共价有机框架(2D COFs)为有机光电子学提供了模块化且原子级精确的平台,但其光电导响应仍受到强激子效应和局域电荷传输的根本性限制。基于此,德国德累斯顿工业大学冯新亮院士、王智勇教授和付帅教授、马克斯·普朗克聚合物研究所Mischa Bonn(共同通讯作者)等人报道了一种通过炔基连接并具有轴向吡啶配位的2DP晶体克服这一局限,同时实现高效的自由载流子生成与类能带传输。引入可轴向配位至Cu-卟啉节点的吡啶配体,将原本微弱的范德华堆积转变为由吡啶桥接的结构,显著增强了层间能带色散,并大幅降低了载流子的有效质量。

由此产生的强层间电子耦合使激子结合能降至远低于热能水平,从而使光激发直接占据离域电子态。时间分辨太赫兹光谱显示,该材料表现出Drude-型光电导行为,在室温下迁移率接近500 cm2 V-1 s-1,光子到自由载流子的转换效率约为0.4。结果表明,层间配位是一种有效抑制激子效应并实现类无机电荷传输的策略,为有机2D晶体中高效光电转换开辟了新途径。

图文解读

在本文中,作者采用了三步有机-液相表面活性剂单层辅助界面合成(O-SMAIS)策略,合成了不含吡啶的DY2DPs(PF-DY2DPs)和含吡啶的DY2DPs(PI-DY2DPs)。第一步,在N, N-二甲基乙酰胺/水(DMAc-H2O)表面上制备了一层全氟表面活性剂(PFS)单分子层,随后加入含有CuCl水溶液(3×10-5 mol),并可选择性地添加吡啶(6×10-5 mol),通过阴离子表面活性剂下方Cu+离子的静电聚集形成富催化剂的界面区域(第二步)。接着,将5, 10, 15, 20-四(4-乙炔基苯基)卟啉(TEPP)单体(4.2×10-6 mol)注入DMAc溶液中的次相中,末端炔烃与Cu+之间的配位作用促使垂直组装,并引发二维聚合。经过24 h后,所得DY2DPs通过水平提升转移至固体基底(如SiO₂/Si晶圆等),进行形貌、结构或性能表征。


图1.DY2DPs的合成与结构表征


图2.轴向吡啶配位重塑电子景观和实现光电导响应

通过温度依赖性TRTS实验,作者阐明了PI-DY2DP中载流子的传输机制。不同温度下的时间分辨△σ,揭示了振幅和衰减动力学均存在系统性变化。在整个实验温度范围内,所有△σ(ω)谱均能很好地由Drude模型描述,表明在冷却过程中自由载流子特征依然存在。值得注意的是,△σ(ω)实部与虚部之间的交叉频率随着温度降低而向低频移动,对应τ从28±3 fs(287 K)增加至75±4 fs(78 K)。对散射率γ(γ=1/τ)进行Arrhenius分析,得到激活能约为10 meV,表明载流子散射受能量相近的低能声子模式控制。


图3. PI-DY2DP中Drude型自由载流子控制的THz光电导性

在3.10 eV光激发下的伪彩色TA图像,显示出两个明显的光诱导漂白(PIB)特征:2.25 eV(约550 nm)和2.95 eV(约420 nm),这些位置与稳态吸收峰重合。对归一化的TRTS与TA动力学进行比较后发现,在皮秒时间尺度上其衰减曲线高度一致,表明△σ初始的衰减主要源于超快非辐射自由载流子复合,而非转化为寿命较长的激发子,后者本应导致TRTS与TA动力学呈现不同趋势。


图4. PI-DY2DP中的带状传输和SRH重组

文献信息

Suppressed excitonic effects enable high mobility and high-yield photoconductivity in a pyridine-coordinated two-dimensional polymer crystal. Nature Communications, 2026, https://doi.org/10.1038/s41467-026-77017-x.

(来源:网络版权属原作者 谨致谢意)

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