近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院王明超助理教授課題組聯(lián)合德國(guó)馬克斯·普朗克研究所、德累斯頓工業(yè)大學(xué)及保加利亞索非亞大學(xué)，成功開(kāi)發(fā)了一種具有方形晶格的給體-受體型二維聚亞芳基亞乙烯（2D PAV）材料。該材料展現(xiàn)出電子主導(dǎo)的傳輸特性，能夠在室溫下高效檢測(cè)二氧化硫（SO?），檢測(cè)限低至約0.1ppb。相關(guān)研究成果以“A Donor-Acceptor-Type Two-Dimensional Poly（arylene vinylene）for Efficient Electron Transport and Sensitive Chemiresistors”為題，發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie International Edition）。

圖1 論文發(fā)表截圖

二維共軛聚合物及其層堆疊的二維共軛共價(jià)有機(jī)框架（如二維聚亞芳基亞乙烯）作為一種潛力巨大的聚合物半導(dǎo)體材料，近年來(lái)在光/電子器件和光催化領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。然而，如何實(shí)現(xiàn)窄光學(xué)帶隙和高效的電子傳輸依然是提升該類材料器件性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

該研究通過(guò)二維縮聚反應(yīng)，成功合成了一種新型給體-受體型二維聚亞芳基亞乙烯材料。該材料的給體單元為噻吩-苯并二噻吩，受體單元為s-茚滿-1,3,5,7(2H,6H)-四酮。得益于層內(nèi)給體-受體協(xié)同效應(yīng)，該材料的光學(xué)帶隙降至1.15eV，低于目前報(bào)道的二維共軛聚合物框架材料。通過(guò)密度泛函理論計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)該材料具有獨(dú)特的電子主導(dǎo)傳輸特性：其導(dǎo)帶最小值的高度分散使得電子的有效質(zhì)量?jī)H為空穴的一半。

圖2 材料設(shè)計(jì)與合成思路

太赫茲光譜測(cè)試表明，在室溫下該材料的本征載流子遷移率為26cm2V?1s?1。憑借其缺電子特性（能夠高效捕捉有害氣體中的電子）及電子主導(dǎo)的高遷移率傳輸特性，研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了基于該材料的化學(xué)電阻式電子傳感器，能夠在室溫下高效檢測(cè)SO?，檢測(cè)限低至0.088ppb，這一突破為大氣污染物監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)方案。

王明超與德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮教授、Gianaurelio Cuniberti教授共同擔(dān)任論文通訊作者。