近年来，由于具有独特的光电物理性质，硼氮杂芳烃（BN-PAHs）在学术界引起了广泛关注。硼氮杂芳烃中硼氮原子的掺杂位置、掺杂数量和硼氮键的取向等都可以显著影响其光电性质。部分硼氮杂芳烃已经展现出了可精调的前线轨道能级、更高的荧光量子效率和更高的热稳定性等性质。然而，相对于其在多重共振热活化延迟荧光领域的蓬勃发展，硼氮杂芳烃的电荷传输性能的研究相对较少。
图一 （a）具有电荷传输性能的代表性BN-PAHs分子（BN-1 至 BN-8）；（b）本工作中设计的梯形硼氮杂芳烃（BCNL1 和 BCNL2）。 在前期研究的基础上，天津理工大学刘旭光课题组、清华大学王朝晖/姜玮团队与中科院化学所江浪课题组合作开发了两个五元环吡咯稠合的梯型硼氮杂芳烃（BCNL1和BCNL2）。实验结果表明，吡咯稠合可以显著降低该类分子的重组能（λ），并首次揭示了梯型硼氮杂芳烃的长度对其在OFET器件中的电荷传输性能的影响（BCNL2显示出高达0.62 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率，比π共轭尺寸较小的BCNL1高出三个数量级）。 该工作通过Buckwald-Hartwig偶联反应和氮原子导向的亲电硼化反应作为关键反应，合成了具有高度有序BC3N2单元的梯型硼氮杂芳烃（BCNL1和BCNL2），并通过溶液挥发法获得了适用于X-ray衍射分析的单晶结构。结果表明，分子中的BN键介于1.422 Å-1.448 Å之间，均表现出明显的双键特征，有效实现了分子的共轭延伸。由于分子内的C-H键的排斥作用，BCNL1和BCNL2均表现出不同程度的弯曲结构。此外，分子紧凑的鱼骨状堆积结构以及丰富的分子间弱相互作用（CH-π、B-π和B-H等）有望增强其电荷传输性能。 图二 BCNL1和BCNL2的合成步骤。 为了评估其载流子迁移率，作者通过物理气相沉积法（PVT）生长了BCNL1和BCNL2的单晶并构筑了OFET器件。基于BCNL1和BCNL2的所有OFET器件均表现出典型的p-型传输性能。基于BCNL1的OFET器件的最大空穴迁移率为6×10-4 cm2 V-1s-1，开/关比为8.4 × 103；而基于BCNL2的OFET器件显示出高达0.62 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率，开/关比为7.4 × 105，基于30多个器件的平均空穴迁移率高达0.30 cm2 V-1 s-1，该值是基于BCNL1的OFET器件的1000倍，表明BCNL2具有优异的电荷传输特性。 图三 （a）BCNL2的单晶结构以及堆积结构；（b）BCNL2单晶的原子力显微镜（AFM）图像；（c）透射电子显微镜（TEM）图像及其选区电子衍射（SAED）图像；（d）基于BCNL2的OFET器件的典型转移积分特性曲线和（e）输出特性曲线。 该项工作表明，硼氮杂芳烃的共轭尺寸和五元环吡咯稠合对于开发高迁移率半导体材料至关重要，为进一步设计具有高迁移率的基于硼氮杂芳烃的有机场效应晶体管提供了重要基础。 论文信息 BN-Acene Ladder with Enhanced Charge Transport for Organic Field-Effect Transistors Chenglong Li, Yanan Sun, Ning Xue, Yongkang Guo, Ruijun Jiang, Yuanhui Wang, Yujian Liu, Prof. Dr. Lang Jiang, Prof. Dr. Xuguang Liu, Prof. Dr. Zhaohui Wang, Prof. Dr. Wei Jiang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202423002
